论文摘要
高气压低温等离子体属于非平衡体系，其中中性粒子、离子的温度较低，而电子温度可高达数十万度，从而可由电子碰撞产生大量活性物种，引发一系列在常规手段下难以进行的物理-化学过程。自由基一般被认为是引发各种化学反应过程的重要活性物种，因此对等离子体中自由基的浓度进行原位定量诊断就成为研究和改进等离子体工艺，探索等离子体中基元物理-化学过程的重要手段。由于等离子体中自由基具有很高的反应活性，因而浓度较低，这就需要采用灵敏度较高的诊断技术。光腔衰荡光谱技术是上世纪八十年代末兴起的一种全新的激光吸收光谱技术。与传统的吸收光谱技术相比，光腔衰荡光谱技术具有极长吸收程和对光源光强波动不敏感两大优点，因此具有极高的探测灵敏度，特别适合痕量物质的检测。本论文将光腔衰荡光谱技术与介质阻挡放电技术相结合，对介质阻挡放电等离子体产生的自由基进行光腔衰荡光谱原位定量测量，主要取得以下结果：1．建立了国内首台连续波光腔衰荡光谱装置。在谐振腔长42 cm，放电电极长度10 cm，高反镜的反射率99．994％的条件下，所建光腔衰荡光谱装置的最小检测灵敏度为3×10-8m-1，相应的HO2自由基的最小探测数密度为1×1011 molecules cm-3，表明本设备的主要性能指标达到国际先进水平。2．利用连续波光腔衰荡光谱技术，首次对HCHO／O2／H2O／N2低温等离子体中的HO2自由基的数密度进行了定量研究。以HO2基电子态（（?）2A"）的H-OO伸缩振动的第一泛频谱带为研究对象，一定实验条件下(UP=6．5 kV,fa.c.=5 kHz，1900 ppm HCHO，3．5％H2O，Ptotal=30 Torr)，HCHO／O2／H2O／N2DBD放电过程中产生的HO2自由基的数密度最初随体系中O2含量的增加而增加，当氧气含量为20％时，HO2的数密度到达最大值(1．3×1013molecules cm-3)，此后随O2含量的增加而缓慢下降。考察了HO2数密度随放电气压和电压变化规律时，亦均出现极值现象。采用“时间窗”方法，研究了半个放电周期内HO2数密度的时间演变行为。一定实验条件下(UP=4．5 kV,fa.c.=5 kHz，1900 ppm HCHO，20％O2，3．5％H2O，Ptotal= 30 Tort)，放电电压．电流波形图显示放电为丝状放电模式，将时间窗的时间尺度设为2μs，研究结果显示，以放电电流的第一个脉冲对应的时间为基准点，HO2的数密度在5μs内迅速增大至极值，而后逐渐减小。3．首次利用连续波光腔衰荡光谱技术，对常压介质阻挡放电中的OH自由基的数密度进行了定量研究。利用OH基电子态（X2Πi）v’=2←v"=0泛频谱带，求得OH电子基态振动基态不同转动能级（P1（7．5）e、P2（6．5）f、P1（6．5）f、P1（6．5）e、P2（5．5）f和P1（5．5）e）上的粒子数分布，通过玻尔兹曼图解法对OH的转动温度进行了计算并考察了OH的转动温度随放电电压的变化情况。结果表明：在一定放电条件下(1 atm，6700 ppm H2O／He，放电频率fa.c.=70 kHz)，当外加电压从6 kV升高至10．4 kV时，转动温度从312±10 K近线性增长至363±10 K，相应的OH的总的数密度由（2．1±0．1）×1013molecule cm-3增加至（3．7±0．1）×1013 molecule cm-3。当体系中加入少量的N2或O2时，OH的数密度分别在3％（N2）和1％（O2）出现极值。