CN117420120A - 一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，涉及等离子体诊断技术领域，解决了现有等离子体光学诊断方法信噪比低、无法检测不发光物质、设备昂贵、灵敏性差的问题。本发明包括放电圆环、支撑装置、绝缘管、导电线和光纤，光纤表面设置有导电涂层，导电涂层与外部设备连接；光纤外部套装有绝缘管；光纤头部的导电涂层上开设有光学窗口，另一端和外部设备连接；光纤上对应光学窗口的位置处设置有放电圆环；放电圆环与地线连接。本发明通过通过控制放电结构内的电子参数，对探针头部位置的物质进行不同程度激发，当中间产物被激发为可荧光激发态后，发光被光学窗口采集并传输至光谱仪，实现对多种不发光中间产物进行探测。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体诊断技术领域，具体为一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置。
背景技术
低温等离子体因其独特的化学作用在化工、能源、环境等领域都取得了重要的应用，在放电过程中因电子的碰撞产生了种类繁多的激发态物质和中间体自由基，而正是因为这些激发态物质及中间体自由基的存在使得低温等离子体表现出优异的化学活性。这些中间体的种类及浓度对等离子体催化化学反应至关重要，准确探测这些关键组分的信息对设计新型等离子体反应器、理解等离子体催化反应过程及调控等离子体反应器运行参数具有重要意义。但因为等离子体放电所产生的活性物质中有相当一部分不具备发光能力，且稳定存在时间极短，对常规的如发射光谱及质谱等检测方法提出了挑战。
在等离子体放电探测中，光学诊断以其响应时间快、可探测范围广等优势已经在纳秒脉冲等离子体、滑动弧等离子体、辉光放电等离子体等方面取得了越来越广泛的应用。世界各国广泛开展了这一领域的研究，以推动和促进技术上的创新。如美国普林斯顿大学、麻省理工学院、比利时安特卫普大学和我国的清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等高校和研究所也在这一领域取得了一系列重要成果。然而在等离子体放电中间物质探测技术完善的同时，随着等离子体催化反应应用领域的进一步拓展及对等离子体催化反应过程理解的进一步深入，各科研单位越来越需要能快速原位实现对多种包括不发光物质在内的中间产物进行检测的诊断技术。
然而目前的等离子体光学诊断备选方案中，常规发射光谱诊断存在检测较弱发光信号时信噪比低、无法检测不发光物质等问题；激光诱导荧光及激光诱导击穿光谱存在激光器设备价格高昂、效率低、发热严重且无法长时间工作等问题难以大规模装备利用；以光腔衰荡及相干反斯托克斯拉曼光谱等为代表的吸收光谱存在系统复杂且灵敏性较低等问题，对等离子体中间产物的诊断带来了困难。
发明内容
本发明为了解决上述提到的现有等离子体光学诊断方法信噪比低、无法检测不发光物质、设备昂贵、灵敏性差的问题，特此提出了一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置。本发明集纳秒脉冲电源、放电结构、光纤探头及光谱仪于一体，可通过调节纳秒脉冲电源的输出参数来控制放电结构内的电子参数，从而对探针头部位置处的物质进行不同程度的激发，当中间产物被激发为可荧光激发态后，发出的光被光纤上的光学窗口采集并传输至光谱仪，从而实现对多种不发光的中间产物进行探测。
本发明提出了一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其具体包括放电圆环、支撑装置、绝缘管、导电线和光纤，光纤表面设置有导电涂层，导电涂层通过导电线与纳秒脉冲电源连接；光纤外部套装有绝缘管；光纤一端从绝缘管中穿出，光纤从绝缘管中穿出的端部的导电涂层上开设有光学窗口，光纤另一端和光学探测设备连接；光纤上对应光学窗口的位置处还套装有放电圆环；放电圆环通过支撑装置与绝缘管连接；放电圆环与地线连接。
更进一步地，所述支撑装置包括若干支撑脚，若干支撑脚一端与放电圆环底部相连，另一端埋入绝缘管内。
更进一步地，所述支撑脚材质为金属。
更进一步地，所述绝缘管管体内部埋设有电线，放电圆环通过支撑脚以及绝缘管管体内部埋设的电线与地线连接。
更进一步地，所述光纤为可透过200-1200nm波长光信号的材料。
更进一步地，所述导电涂层材质为银或铜。
更进一步地，所述放电圆环材质为铜、钨或钼。
更进一步地，所述绝缘管材质为陶瓷或聚四氟乙烯。
一种采用上述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的探测方法，包括以下步骤：
将放电圆环放置于待检测位置，纳秒脉冲电源供电，放电圆环和导电涂层间隙产生击穿放电，放电过程中产生的高能电子与待检测位置处的气体成分碰撞，待检区域物质被激发并发光；待检测物质发出的光被光纤端部设置的光学窗口捕捉，并通过光纤输送至光学探测设备中进行发光信息分析并判断物质成分。
本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的有益效果为：
（1）本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，集放电结构和光学探测结构于一体，可以用来对低温等离子体放电所产生的多种中间物质进行检测，可以在放电圆环的放电过程中通过高能电子的碰撞使部分中间产物激发从而发光，并通过光学窗口接收中间产物发出的光进行检测从而获得原本不发光的中间产物的浓度信息；
（2）本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，通过对光学信号进行采集实现，具有响应时间快探测灵敏的优点，尤其适用于探测等离子体放电中间物质等消耗速度快，相对含量低的物质；并且结构简单、体积小、稳定性高、功耗低的优点，可以在多种检测背景下使用，尤其适用于在轨测量。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的主视图；
图2是本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置在A-A方向的截面图；
图3是本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的结构示意图；
图4是本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的局部放大图；
图5是本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的沿径向的截面图；
其中：1-光学窗口，2-放电圆环，3-支撑脚，4-绝缘管，5-导电线，6-导电涂层，7-光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-图5具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置具体包括放电圆环2、支撑装置、绝缘管4、导电线5和光纤7，光纤7表面设置有导电涂层6，导电涂层6通过导电线5、导电钳或焊接等方式与纳秒脉冲电源连接；光纤7外部套装有绝缘管4，光纤7和绝缘管4之间的相对位置依靠摩擦力固定；光纤7一端从绝缘管4中穿出，光纤7从绝缘管4中穿出的端部的导电涂层6上开设有光学窗口1，光纤7另一端和光电倍增管、ICCD等光学探测设备相连；光学窗口1用于接收光信号；光纤7上对应光学窗口1的位置处还套装有放电圆环2，光学窗口1和放电圆环2在同一水平位置处；放电圆环2通过支撑装置与绝缘管4连接；放电圆环2与地线连接。
所述支撑装置包括若干支撑脚3，若干支撑脚3一端与放电圆环2底部相连，另一端埋入绝缘管4管壁内，从而对放电圆环2进行固定和支撑。
所述支撑脚3材质为金属，具体为金属细丝结构。所述绝缘管4管体内部埋设有电线，电线与若干金属细丝结构的支撑脚3中的一个连接，放电圆环2通过若干支撑脚3中的一个以及绝缘管4管体内部埋设的电线与地线连接。
所述光纤7为可透过200-1200nm波长光信号的材料。
所述导电涂层6材质为银或铜等具有良好导电性能材料。
所述放电圆环2材质为铜、钨或钼等具有良好导电性能材料。
所述绝缘管4材质为陶瓷或聚四氟乙烯等具有良好绝缘性能材料。
一种采用上述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的探测方法，包括以下步骤：
将放电圆环2放置于待检测位置，通过纳秒脉冲电源对脉冲光电探针监测装置进行供电，放电圆环2和导电涂层6间隙产生击穿放电，放电过程中产生的高能电子与待检测位置处的气体物质的成分发生碰撞，待检区域气体物质被高能电子激发并发光；待检测物质发出的光被光纤7端部位置设置的光学窗口1捕捉，被捕捉的光学信息通过光纤7输送至光谱仪等光学探测设备中，从而对发光信息进行分析并判断物质的组成成分。
本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的具体工作过程为：
通过纳秒脉冲电源的输出，在探测器头部放电圆环2和导电涂层6中可以产生放电，并通过电子的碰撞使待测物质产生大量激发态物质并产生发光，产生的光信号可以通过探测器头部设置的光学窗口1被光纤7所捕捉，光信号通过光纤7进一步传达到光电倍增管或ICCD等光学探测设备中，通过对所获得光学信息的分析可以实现对待测区域物质成分的探测，可根据待测区域气体压力、温度等条件调节纳秒脉冲电源的输出电压、脉宽、重复频率等参数以达到更好的探测效果。
总结上述实施案例，本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，集放电结构和光学探测结构于一体，可以用来对低温等离子体放电所产生的多种中间物质进行检测，可以在放电圆环2的放电过程中通过高能电子的碰撞使部分中间产物激发从而发光，并通过光学窗口1接收中间产物发出的光进行检测从而获得原本不发光的中间产物的浓度信息；本发明所述的一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，通过对光学信号进行采集实现，具有响应时间快探测灵敏的优点，尤其适用于探测等离子体放电中间物质等消耗速度快，相对含量低的物质；并且结构简单、体积小、稳定性高、功耗低的优点，可以在多种检测背景下使用，尤其适用于在轨测量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制发明，还可以是上述实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：包括放电圆环（2）、支撑装置、绝缘管（4）、导电线（5）和光纤（7），光纤（7）表面设置有导电涂层（6），导电涂层（6）通过导电线（5）与纳秒脉冲电源连接；光纤（7）外部套装有绝缘管（4）；光纤（7）一端从绝缘管（4）中穿出，光纤（7）从绝缘管（4）中穿出的端部的导电涂层（6）上开设有光学窗口（1），光纤（7）另一端和光学探测设备连接；光纤（7）上对应光学窗口（1）的位置处套装有放电圆环（2）；放电圆环（2）通过支撑装置与绝缘管（4）连接；放电圆环（2）与地线连接。
2.根据权利要求1所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述支撑装置包括若干支撑脚（3），若干支撑脚（3）一端与放电圆环（2）底部相连，另一端埋入绝缘管（4）内。
3.根据权利要求2所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述支撑脚（3）材质为金属。
4.根据权利要求3所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述绝缘管（4）管体内部埋设有电线，放电圆环（2）通过支撑脚（3）以及绝缘管（4）管体内部埋设的电线与地线连接。
5.根据权利要求1所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述光纤（7）为可透过200-1200nm波长光信号的材料。
6.根据权利要求1所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述导电涂层（6）材质为银或铜。
7.根据权利要求1所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述放电圆环（2）材质为铜、钨或钼。
8.根据权利要求1所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置，其特征在于：所述绝缘管（4）材质为陶瓷或聚四氟乙烯。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的等离子体化学反应中间产物的脉冲光电探针监测装置的探测方法，其特征在于：包括以下步骤：
将放电圆环（2）放置于待检测位置，纳秒脉冲电源供电，放电圆环（2）和导电涂层（6）间隙产生击穿放电，放电过程中产生的高能电子与待检测位置处的气体成分碰撞，待检区域物质被激发并发光；待检测物质发出的光被光纤（7）端部设置的光学窗口（1）捕捉，并通过光纤（7）输送至光学探测设备中进行发光信息分析并判断物质成分。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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