（等离子体物理专业论文）脉冲电晕放电与直流辉光放电中oh自由基等活性物种的光谱诊断.pdf

大连理丁大学博士学位论文 摘要 本论文分别利用发射光谱技术和激光诱导荧光光谱技术对脉冲电晕放电和直流辉 光放电等离子体中o h 自由基等活性物种进行了诊断研究，主要的研究结果如下： 1 克服强电磁干扰，利用发射光谱技术在大气压下成功地测量了氮气含水蒸气体系针一 板式正、负脉冲以及双向窄脉冲电晕放电产生的n 2 ( c 3 兀u b 3 兀。) 、o h ( a 2 一x 2 兀 o o ) 、o ( 3 p 5 p 一3 s 5 s 2 0 ) 、h ( n = 3 2 ) 和n ( 3 p 4 s o - + 3 s 4 p ) 发射光谱。研究了o h ( a 2 _ x 2 兀 o o ) 、o ( 3 p 5 p 一3 s 5 s 2 0 ) 、h ( n = 3 2 ) 和n ( 3 p 4 s o 一3 s 4 p ) 发射光谱强度以及激发态o h ( a 2 ) 自由基和o ( 3 p 5 p ) 、n ( 3 p 4 s o ) 活性原子相对布居随不同放电参数以及添加氧气流量的 变化规律。当脉冲峰值电压和脉冲重复频率增加时，o h ( a 2 f , - 争x 2 i - 10 o ) 、 o ( 3 p 5 p j 3 s 5 s 2 0 ) 、h ( n = 3 2 ) 和n ( 3 p 4 s o 一3 s 4 p ) 的发射光谱强度以及激发态o h ( a 2 ) 自 由基和o ( 3 p 5 p ) 、n ( 3 p 4 s o ) 活性原子的相对布居随之增强和增加。添加氧气流量在0 3 0 m l m i n 时，o ( 3 p 5 p 一3 s 5 s 2 0 ) 、h ( n = 3 2 ) 和n ( 3 p 4 s 0 专3 s 4 p ) 的发射光谱强度和激发态 o ( 3 p 5 p ) 和n ( 3 p 4 s o ) 活性原子的相对布居随添加氧气流量的增加而逐渐增强和增加， 在氧气流量为3 0m l m i n 附近出现一极值，继续增大氧气流量时，o ( 3 p 5 p 一3 s 5 s 2 0 ) 、 h ( n = 3 2 ) 和n ( 3 p 4 s 0 0 3 s 4 p ) 的发射光谱强度和o ( 3 p 5 p ) 和n ( 3 p 4 s o ) 活性原子相对布居 明显减弱和减少。o h ( a 2 一x 2 兀o o ) 的发射光谱强度和激发态o h ( a 2 ) 自由基的相 对布居随氧气流量的增加分别呈减弱和减少趋势。 2 利用发射光谱技术在大气压下测量了纯氮气线一板式j 下脉冲电晕放电产生的 n 2 ( c 3 兀。一b 3 兀。) 的发射光谱和氮气含水蒸气体系线一板式正脉冲电晕放电产生的 o h ( a 2 _ x 2 兀。一o ) 和n 2 + ( b 2 z u + 一x 2 ，o o ) 发射光谱。研究了不同放电参数条件下纯 氮气线一板式正脉冲电晕放电产生的n 2 ( c 3 兀。一b 3 兀。) 发射光谱强度在线一板电极之间 沿着从线到板电极方向的空间分布，以及在某一放电参数下n 2 、空气、n 2 + 0 2 体系 n 2 ( c 3 兀u 寸b 3 兀。) 的发射光谱强度在线一板电极之间沿着从线到板电极方向的空间分 布规律。在纯氮气线板式正脉冲电晕放电中，当脉冲峰值电压和脉冲重复频率一定 时，n 2 ( c 3 n u b 3 兀。0 o ) 发射光谱强度随着在线一板电极之间沿着从线到板电极方向 空间距离的增加呈非线性减弱。不同脉冲峰值电压和不同脉冲重复频率下得到的归 一化的n 2 ( c 3 兀u b 3 n 。o o ) 发射光谱强度在线一板电极之间具有相同的空间分布规 律。当脉冲峰值电压和脉冲重复频率一定时，n 2 、空气、n 2 + 0 2 体系中归一化的 n 2 ( c 3 兀。_ b 3 兀。0 0 ) 发射光谱强度在线一板电极之间也具有相同的空间分布规律。 刘峰：脉冲电晕放电与直流辉光放电中0 h 自由基等活性物种的光谱诊断 对氮气含水蒸气体系线一板式正脉冲电晕放电产生的o h ( a 2 专x 2 兀o o ) 和 n 2 + ( b 2 u + j x 2 g + 0 - 0 ) 发射光谱强度和n 2 ( c ) 振动温度的空间分布进行了实验研究。 o h ( a 2 _ x 2 n0 0 ) 和n 2 + ( b 2 u + 一x 2 。+ 0 - 0 ) 的发射光谱强度随脉冲峰值电压和脉冲 重复频率的增加而增强。o h ( a 2 e - - + x 2 兀0 - 0 ) 和n 2 + ( b 2 u + 一x 2 ，0 - 0 ) 的发射光谱强度 随添加0 2 流量的增加而减弱。o h ( a 2 z - - x 2 兀0 0 ) 的发射光谱强度随着在线板电极 之问沿着从线到板电极方向空问距离的增加而减弱。n 2 + ( b 2 u + 一x 2 。十0 o ) 的发射光 谱强度在线一板方向上距离线电极o 3m m 内基本不变，在距离板电极1 3m m 处陡然 增强。n 2 ( c ) 的振动温度随着在线一板电极之间沿着从线到板电极方向空间距离的增 加而保持不变，在线一板电极之问n 2 ( c ) 的振动温度随脉冲峰值电压和脉冲重复频率 增加没有发生明显变化，而随着添加0 2 流量的增加n 2 ( c ) 的振动温度有一定的增高。 测得了n 2 + 心、n 2 + h e 和n 2 + 0 2 三种不同气体组分含水蒸气体系线一板式诈脉冲 电晕放电产生的o h ( a 2 寸x 2 兀o o ) 发射光谱强度及n 2 ( c ) 的振动温度在线一板电极之 间的空间分布。研究结果表明，o h ( a 2 一x 2 n0 0 ) 的发射光谱强度随着在线一板电极 之间沿着从线到板电极方向空间距离的增加而减弱，在接近板电极处发射光谱强度 有一定的增强。当脉冲峰值电压和脉冲重复频率一定时，o h ( a 2 一x 2 兀o 0 ) 发射强 度随h e 在n 2 + h e 中所占比例的增加和a r 在n 2 + a r 中所占比例的增加而增强，随着 0 2 在n 2 + 0 2 中所占比例增加而减弱。当a r 、h e 和0 2 在n 2 + 舡、n 2 + h e 和n 2 + 0 2 中所占比例一定时，n 2 ( c ) 的振动温度在线一板电极之间基本保持不变。当增大心在 n 2 + 灯中所占的比例时，在线一板电极之间，n 2 ( c ) 的振动温度随着心所占比例的增 大基本不变。当增加h e 在n 2 + h e 中所占的比例和0 2 在n 2 + 0 2 中所占的比例时，在 线一板电极之间，n 2 ( c ) 的振动温度有一定增高。 3 在低气压下利用激光诱导荧光技术对纯水蒸气体系、氮气含水蒸气体系以及氦气含 水蒸气体系针一板式负直流辉光放电中产生的o h ( a 2 一x 2 兀o o ) 荧光光谱进行了诊 断研究。研究了放电电压和放电气压对q i ( 1 ) 支线荧光强度的影响。纯水蒸气体系中， q i ( 1 ) 支线荧光强度随放电电压的增加没有明显变化，当放电气压增加时q 1 ( 1 ) 支线 荧光强度随之减弱；氮气含水蒸气体系中，q l ( 1 ) 支线荧光强度随放电电压的增加而 增强，当增加放电气压时，q i ( 1 ) 支线荧光强度随之减弱；氦气含水蒸气体系中，q i ( 1 ) 支线荧光强度随放电电压的增加没有明显变化，在所研究的气体压力范围内，q i ( 1 ) 支线荧光强度呈现一极值。 关键词：洲自由基；脉冲电晕放电；直流辉光放电；发射光谱；激光诱导荧光光谱 大连理 ：大学博士学位论文 t h es p e c t r o s c o p yd i a g n o s i so fo hr a d i c a l sa n da c t i v es p e c i e sp r o d u c e di n p u l s e dc o r o n ad i s c h a r g ea n dd cg l o wd i s c h a r g e a b s t r a c t t h ee m i s s i o ns p e c t r o s c o p ya n dl a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c et e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e dt o d i a g n o s et h eo he t c a c t i v es p e c i e sp r o d u c e db yp u l s e dc o r o n ad i s c h a r g ea ta t m o s p h e r i c p r e s s u r ea n do h r a d i c a l sp r o d u c e db yd cg l o wd i s c h a r g ea tl o wp r e s s u r er e s p e c t i v e l y t h e m a i nr e s u l t sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o nh a v e b e e ns u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ee m i s s i o ns p e c t r ao fn 2 ( c 3 兀。_ b 3 兀g ) ，o h ( a 2 一x 2 n0 - 0 ) ，o ( 3 p 5 p 一3 s 5 s 2 0 ) ，h ( n = 3 2 ) ，a n dn ( 3 p 4 s o - - 3s 4 p ) p r o d u c e db yt h eh i g h - v o l t a g ep o s i t i v e ，n e g a t i v e ，a n d b i - d i r e c t i o n a lp u l s e dc o r o n ad i s c h a r g eo fn 2 + h 2 0m i x t u r eg a sw i t han e e d l e p l a t ee l e c t r o d e c o n f i g u r a t i o nh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yr e c o r d e da g a i n s ta s e v e r ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e a to n ea t m o s p h e r e t h ee f f e c t so fp u l s e dp e a kv o l t a g e ，p u l s e dr e p e t i t i o nr a t e ，a n dt h ea d d e d 0 2f l o wr a t eo nt h ee m i s s i o ni n t e n s i t i e so fo h ( a 2 一x 2 兀0 - 0 ) ，o ( 3 p 3 p 一3 s 3 s 2 0 ) ，h ( n = 3 2 ) ，a n dn ( 3 p 4 s o - + 3 s 4 p ) a n dt h er e l a t i v ep o p u l a t i o n so fo h ( a 2 ) r a d i c a l sa n do ( 3 p 5 p ) ，n ( 3 p 4 s o ) a c t i v ea t o m sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a tw h e nt h ep u l s e dp e a k v o l t a g ea n dt h ep u l s e dr e p e t i t i o nr a t e a r ei n c r e a s e d ，t h ee m i s s i o ni n t e n s i t i e so fo h ( a 2 一x 2 兀0 - 0 ) ，o ( 3 p 5 p 一3 s 5 s 2 。) ，h ( n = 3 2 ) ，a n dn ( 3 p 4 s o - - 3 s 4 p ) a n dt h er e l a t i v e p o p u l a t i o n so fo h ( a 2 ) r a d i c a l sa n do ( 3 p p ) ，n ( 3 p 4 s o ) a c t i v e a t o m se n h a n c e c o r r e s p o n d i n g l y t h ee m i s s i o ni n t e n s i t i e so fo ( 3 p p 寸3 s s 2 0 ) ，h ( n = 3 - 2 ) ，a n dn ( 3 p 4 s o 一3 s 4 p ) a n dt h er e l a t i v ep o p u l a t i o n so fo ( 3 p 5 p ) ，n ( 3 p 4 s 。) a c t i v ea t o m si n c r e a s e w i t ht h ef l o wr a t eo fo x y g e n ( f r o m0t o3 0m l m i n ) a n da c h i e v eam a x i m u mv a l u ea tf l o w r a t eo f3 0m l m i n w h e nt h ef l o wr a t eo fo x y g e ni si n c r e a s e df u r t h e r , t h ee m i s s i o n i n t e n s i t i e so fo ( 3 p 5 p 3 s s 2 0 ) ，h ( 甩= 3 2 ) ，a n dn ( 3 p 4 s o - - 3 s 4 p ) a n dt h er e l a t i v e p o p u l a t i o n so fo ( 3 p p ) ，n ( 3 p 4 s o ) a c t i v ea t o m sd e c r e a s eo b v i o u s l y t h ee m i s s i o ni n t e n s i t y o fo h ( a 2 一x 2 兀0 - 0 ) a n dt h er e l a t i v ep o p u l a t i o no fo h ( a 2 ) r a d i c a l sd e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gt h ea d d e do x y g e n 2 t h ee m i s s i o ns p e c t r u mo fn 2 ( c 3 n u b 3 r i g ) p r o d u c e db yt h eh i g h - v o l t a g ep o s i t i v ep u l s e d c o r o n ad i s c h a r g eo fn 2a n dt h ee m i s s i o ns p e c t r ao h( a 2 e - + x 2 10 - 0 )a n dn 2 + ( b 2 z u + 一x 2 g + 0 - 0 ) p r o d u c e db yt h eh i g h - v o l t a g ep o s i t i v ep u l s e d c o r o n ad i s c h a r g eo f n 2 + h 2 0m i x t u r eg a si naw i r e - p l a t ee l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o nh a v eb e e nr e c o r d e d t h e e f f e c t so ft h ep u l s e dp e a kv o l t a g e ，t h ep u l s e dr e p e t i t i o nr a t e ，a n dt h ea d d e d0 2f l o wr a t eo n t h es p a t i a l l yr e s o l v e dd i s t r i b u t i o n so ft h ee m i s s i o ni n t e n s i t i e s o fn 2 ( c 3 兀l l b 3 兀。) p r o d u c e db yt h eh i g h - v o l t a g ep o s i t i v ep u l s e dc o r o n ad i s c h a r g eo fn 2a r ei n v e s t i g a t e d t h e s p a t i a l l yr e s o l v e dd i s t r i b u t i o n so ft h ee m i s s i o ni n t e n s i t i e so fn 2 ( c 3 兀u 寸b 3 兀g ) p r o d u c e db y t h eh i g h - v o l t a g ep o s i t i v ep u l s e dc o r o n ad i s c h a r g eo fn 2 ，a i r , a n dn 2 + 0 2a taf i x e dd i s c h a r g e p a r a m e t e ra r ea l s os t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo fn 2 ( c 3 兀u b 3 i i g ) d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ed i s t a n c ef r o mt h ew i r ee l e c t r o d e n o n l i n e a r l ya tf i x e dp u l s e d p e a kv o l t a g ea n dp u l s e dr e p e t i t i o nr a t e t h en o r m a l i z e ds p a t i a l l yr e s o l v e de m i s s i o n d i s t r i b u t i o ni ss i m i l a r l ya td i f f e r e n tp u l s e dp e a kv o l t a g ea n dp u l s e dr e p e t i t i o nr a t e 皿e n o r m a l i z e ds p a t i a l l yr e s o l v e de m i s s i o nd i s t r i b u t i o ni sa l s os i m i l a r l yi nn 2 ，a i r ，a n dn 2 + 0 2a t f i x e dp u l s e dp e a kv o l t a g ea n dp u l s e dr e p e t i t i o nr a t e o h ( a z 争x 2 兀o - o ) a n dn 2 + ( b 2 u + g + 0 - 0 ) a n dt h ev i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r eo fn 2 ( c ) p r o d u c e db yt h eh i g h - v o l t a g ep o s i t i v ep u l s e dc o r o n ad i s c h a r g eo fn 2 + h 2 0m i x t u r eg a s i naw i r e - p l a t ee l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d 而ee m i s s i o ni n t e n s i t i e so fo h ( a 2 一x 2 兀o - 0 ) a n dn 2 + ( b z e u + 一x 2 g + 0 - 0 ) i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h ep u l s e dp e a k v o l t a g ea n dt h ep u l s e dr e p e t i t i o nr a t ea n dd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h ea d d e do x y g e n t h e e m i s s i o ni n t e n s i t yo fo h ( a 2 一x 2 兀0 - o ) d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ed i s t a n c ef r o mt h e w i r ee l e c t r o d e t h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo fn 2 十( b z e u + - f f x 2 e g + 0 - 0 ) i sn e a r l yc o n s t a n tw i t h i n c r e a s i n gt h ed i s t a n c ef r o mt h ew i r ee l e c t r o d e0 - 3m m b u ts h a r p l yi n c r e a s e sn e a rt h ep l a t e e l e c t r o d e1 - 3m i l l 1 1 1 ev i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r eo fn 2 ( c ) i sn e a r l yk e e pc o n s t a n ti nt h e l e n g t h w i s ed i r e c t i o nw h e ni n c r e a s i n gt h ep u l s e dp e a kv o l t a g ea n dp u l s e dr e p e t i t i o nr a t e ，b u t i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ea d d e d o x y g e n t l l es p a t i a l l yr e s o l v e dm e a s u r e m e n t so ft h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo fo h ( a 2 一x 2 n0 0 ) a n dt h ev i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r eo fn 2 ( c ) i nn 2 + h e ，n 2 + a r ，a n dn 2 + 0 2m i x t u r eg a s e sa r e a l s om e a s u r e d i ti sf o u n dt h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo f0 h ( a 2 争x 2 兀0 o ) d e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gt h ed i s t a n c ef r o mt h ew i r ee l e c t r o d ea n di n c r e a s e sal i a l en e a rt h ep l a t ee l e c t r o d e t 1 1 ee m i s s i o ni n t e n s i t yo fo h ( a 2 一x 2 兀o o ) i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ep r o p o r t i o n so f h ei nn 2 + h em i x t u r eg a sa n d 舡i nn 2 + 心m i x t u r e g a s ，a n dd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h e p r o p o r t i o no f0 2i nn 2 + 0 2m i x t u r eg a s t h ev i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r eo fn 2 ( c ) i sn e a r l y k e e pc o n s t a n ti nt h el e n g t h w i s ed i r e c t i o n ，a n di n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ep r o p o r t i o n so f h ei nn 2 + h em i x t u r eg a sa n d0 2i nn 2 + 0 2m i x t u r eg a s ，b u td e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h e p r o p o r t i o n so fa ri nn 2 + 时m i x t u r eg a s 3 t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r u mo fo h ( a 2 一x 2 r i0 - 0 ) p r o d u c e db ya n e e d l e p l a t en e g a t i v e d cd i s c h a r g ea r ei n v e s t i g a t e dw i t hal a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c es y s t e mi nw a t e rv a p o r ， 一i v n ，+ h ，0m i x t u r eg a s ，h e + h 2 0m i x t u r eg a s t h ee f f e c t so fd i s c h a r g ev o l t a g ea n dp r e s s u r e o nt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fqi ( 1 ) l i n ei si n v e s t i g a t e d i ti sf o u n d t h a tt h ef l u o r e s c e n c e i n t e n s i t yo fq i ( 1 ) l i n en e a r l yk e e p c o n s t a n tw i t hi n c r e a s i n gt h ea p p l i e dv o l t a g ea n d d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp r e s s u r ei np u r ew a t e rv a p o r t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fq l ( 1 ) l i n ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ea p p l i e dv o l t a g ea n d d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp r e s s u r ei n n ，+ h ，0m i x t u r eg a s t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fql ( 1 ) l i n en e a r l yk e e pc o n s t a n tw i t h i n c r e a s i n gt h ea p p l i e dv o l t a g ea n de x h i b i t s am a x i m u mv a l u eu n d e rt h ei n v e s t i g a t e d p r e s s u r er a n g ei nh e + h 2 0 m i x t u r eg a s k e yw o r d s ：o hr a d i c a l s ：p u l s e dc o r o n ad i s c h a r g e ：d cg l o wd i s c h a r g e ；o p t i c a le m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ：l a s e r - i n d u c e d f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理： 大学博十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：墨哇 铆虢薹红监 过年土月- l 同 大连理r 大学博士学位论文 1 绪论 1 1 脉冲电晕放电及其在烟气脱硫脱硝过程中的应用 1 1 1 电晕放电基本原理 电晕放电是在气压较高时，由于两电极间电场分布极不均匀产生的一种放电方式。 当在电极两端加上较高电压但未达到击穿电压时，如果电极表面附近的电场( 局部电场) 很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕现象。产生电晕放电的条件是： 气体压强较高，电场分布极不均匀，并有几千伏甚至上万伏以上的电压( 由放电间距确 定) 加到电极上。当一个电极或两个电极的曲率半径很小时，就会形成不均匀的电场， 因此，细的尖端与平面、尖端与尖端、金属线与同轴圆筒、金属线与平面、两条平行金 属线之间都会形成极不均匀的电场，在这些电极之间都有可能形成电晕放电j 。 电极的几何构形在电晕放电中起着非常重要的作用，由于电场的不均匀性，主要的 电离过程局限在局部电场很强的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近的薄 层中，气体发光在这个区域里较强，这个区域被称为电离区域，或称之为电晕层。在这 个区域之外，由于电场较弱，发生解离、激发和电离较弱，电流靠正、负离子和电子的 迁移运动，因此电离区之外的区域称为迁移区域或外围区域j 。 电晕放电是一种自持放电，它不需要外加电离源来引发和维持放电。电晕放电的电 流强度取决于加在两电极之蒯的电压大小、电极的形状、电极间距离、气体的性质和密 度。电晕放电的电压降不取决于外电路中的电阻，而决定于放电迁移区域的电导。在迁 移区域内存在单极性的空间电荷时，它妨碍着放电电流的通过，此时电晕放电的压降大 部分落在迁移区域上j 。 当两电极间的电位差由零逐渐增大时，最初会发生无声的非自持放电，此时的电流 较微弱，其大小取决于剩余电离；当电压增加到一定数值k 时，电晕放电就开始了。该 电压值k 称为起晕电压或电晕放电的阈值电压，主要表现为电极问电流的突然增大( 从 大约1 0 j 4 到l o - 6 a ) 以及在曲率半径较小的电极处有朦胧的辉光产生。若继续增大电压， 则电流强度将进一步增大，发光层的厚度和亮度也都同时增大。当外加电压比阈值电压 高很多时，电晕放电会转化为火花放电发生火花的击穿j 。 电晕放电按不同的分类方法可以分为以下几种j ： ( 1 ) 按电源提供的电压类型分类，可以将电晕放电分为直流电晕、交流电晕和高频 电晕放电。 刘峰：脉冲电晕放电与直流辉光放电中o h 自由基等活性物种的光谱诊断 ( 2 ) 按曲率半径小的电极的极性可以将电晕放电分为正电晕、负电晕。如果在小曲 率半径的电极上施加正电压，则把产生的电晕称为正电晕；反之，称为负电晕。 ( 3 ) 按出现电晕电极的数目分类，电晕放电则可以分为单极电晕、双极电晕和多极 电晕。 1 。1 2 正脉冲电晕放电机理 正电晕是发生在阳极处气体中的局部放电。本文以阳极曲率半径很小、阴极为一平 面的电极结构放电为例，讨论j 下脉冲电晕放电的机理j ： 在施加脉冲电压产生电晕放电时，可以忽略离子电荷的迁移和积累，认为电极气隙 间无电荷积累。在脉冲电场中，由于电子与中性分子或原子的碰撞电离，电子数将“雪 崩似地增加，这种现象被称为“电子雪崩”。电离后的气体中，离子的迁移速度远远 小于电子的迁移速度，因此，电子向前运动时，那些正离子将仍留在原地。由于电子是 向各个方向扩散的，因此，电子雪崩头部呈球形状。由于电子雪崩引起的空问电荷效应， 电子雪崩中f 离子的浓度可以达到一个很高的值，使原来的电场发生很大的畸变，这畸 变的电场引起局部电子能量的增加，加剧了分子或原子的电离。而电子和正离子的复合 发光又引起许多新的电子雪崩，这时阳极积累的正离子向阴极发展，形成向阴极发展的 电离通道，电离通道的空问特性呈树状，分支数是很多的，由阳极逐渐向阴极增加，并 且可以延伸到很长的距离，这种现象被称为流光( s t r e a m e r ) 或流注。由流注会转为击穿电 火花，被称为流注击穿机sj ( s t r e a m e rb r e a k d o w nm e c h a n i s m ) 。流注机制的发展很快，约 为1 0 培s 它提供了气体击穿机制的解释。图1 1 给出了针一板电极流注分布。流注随时间 的发展过程如下：当针板式电极被施加的脉冲电压比较高时，会产生一传导等离子体 通道( 直径约为2 0 3 0 岬) 从针电极向板电极伸长，由于空间电荷的作用，流注头部等 离子体区则会快速到达板电极，速度可达1 0 ) 1 0 0m s ，几乎在次流注贯穿电极间隙的 同时，会有二次流注从针电极处发出，其速度小于一次流注的速度【j j 。证脉冲电晕放电 流注头部的局部电场强度可达到1 0 0k v c r n ，流注头部的电子平均能量可达到1 2 1 6e v 以上。 从放电的外观形状看，j 下脉冲电晕放电的流注很强，其流注可延伸到板电极，电晕 对实际问题中的有效处理空间可以认为在整个针一板电极之间，如图1 1 所示。 大连理上人学博士学位论文 “) o)(d) 图1 1 流注发展示意图( 本图来白文献 1 ) f i g 1 1t h ed e v e l o p m e n to ft h es t r e a m e r s ( c o p i e df r o mr e f 【11 ) 1 1 3 负脉冲电晕放电机理 曲率半径较小的电极做阴极时，产生的是负电晕。这罩还是以一曲率半径较小的球 状针( 阴极) 和一金属平面( 阳极) 的电极结构为例，讨论负脉冲电晕放电的机理过程。 当一个负的脉冲电压施加到针形电极上时，同正脉冲电晕放电一样，也没有空间电 荷积累，即放电产生的电离过程不受空间电荷积累的影响。 图1 2 是照相纸平行于电极轴线得到的放电图片，从图中可以看到放电径迹为羽毛 状，强度是逐渐下降的，而且它们的边界也是模糊不清的【引。 与j 下流光相比，羽毛状的负电晕要在更高的电压才能开始，负羽毛在径向和轴向的 传播也相对都比较慢，传播区域也都小些；它们的放电通道比正流光的宽，但放电数目 比正流光的却少的多，一般不超过8 到1 0 个，而正流光可以达到3 0 0 4 0 0 个分支。正 流注进入到放电间隙的低场区域时传播速度下降，与此相反，当羽毛状的负电晕放电通 道接近阳极时，它的速度会增加。产生这种差别的原因主要是：与正流光相比，负羽毛 状放电传播时，平面电极更早更强地参与了放电过程j 。 刘峰：脉冲l 乜晕放l u 与直流辉光放i u 中0 h 自f 基等活性物种的光谱诊断 图1 2 针阴极负i l i 晕放l u j ! 片( 本i 到来门文献 2 ) f i g 1 2t h ep i c t u r eo fn e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g ew i t han e e d l ec a t h o d e ( c o p i e df r o mr e f 2 ) 图1 ：3 描述了羽毛状负电晕放电产生发展的物理过程。首先，电子雪崩从电场强的 阴极出发，电子数目取决j ：ia d x ，如图1 3 ( a ) 厅f i 示。电_ 了向电场强度弱的阳极运动，其 j 电离系数口值足减小的，并且电子沿电力线运动相互发散丌来。而在正电晕的放电过程 中，电子向阳极运动却是相互汇聚的。通常不只有一一个电子雪崩，如果l 个电子雪崩靠 的足够近，它们会汇聚剑一起，形成一个发光区域。 电离发射出的光子被气体吸收，会使雪崩头部的分子产生电离，这蝗光电子将从f 在前进的雪崩产，卜的空间电荷加强的电场获得足够的能量，从而能够在不断自订进的原始 雪崩的头部前端产：生新的电子雪崩，如图1 3 ( b ) 所示。这些电子雪崩相互排斥，产生弯 f f ；1 1 且类似刑毛状的径迹。同时，原始电了雪崩仍存继续增长，第二代雪崩会留f 楔形的 j 卜离子窄问电倚，这个空问电荷场能够加强原始雪崩头部的电场，使原始雪崩的电离加 强，并日进一步向i ，j 运动。在此期f h j ，在第一：代的电子雪崩i ，j 而也会有新的光电子产生。 整个过程会有多个类似的发展过样，见图1 3 ( c ) 。 大迮理工人学博士学位论文 ( a ) ( d ) 图1 。3 击穿发展示意图( 本图来自文献 1 ) f i g 1 3t h ed e v e l o p m e n to f b r e a k d o w n ( c o p i e df r o mr e f 【1 】) 最后，如果所加的电场在离针电极较远处变得太弱，致使电离不能维持时，整个过 程就会被破坏，电离径迹如图1 3 ( d ) 所示。 当负电晕放电的“羽毛”发展到非常接近阳极平面时，产生的局部高电场内的光电 子能够引发等同于在针阳极情况下的正流光，从而导致后退的正流光产生。这些流光向 迎面而来的负羽毛传播，当两个电离波相遇时，如果在他们的径迹上电离粒子的浓度足 够高时，在两个电极间就形成了一个高电导的通道，这时形成了一个高电离的等离子体 通道，即火花放电。 1 1 4 高压脉冲电晕放电在烟气脱硫脱硝中的应用 脉冲电晕放电可以产生的低温等离子体，脉冲电源能够产生上升前沿陡、脉宽窄的 脉冲电压，施加在电极上，在反应器两电极的气隙问能产生电晕等离子体。由于脉冲放 电在瞬间就可达到放电电压，而且离子的迁移率比电子的迁移率小约3 个数量级，在放 刘峰：脉冲电晕放电与直流辉光放电中0 h 自由基等活性物种的光谱诊断 电过程中离子可以看作是不动的，所以高压脉冲放电更有效的使电子获得能量( 能使电 子加速到1 2 0e v ) ，而不加热背景气体分子，因此其具有较高的电子温度和较低的气 体温度【斗j 。二十世纪8 0 年代中期m a s u d a p o l 首先提出了脉冲电晕烟气脱硫脱硝技术。 脉冲电晕放电产生的电子能量分布在1 2 0e v 范围，与电子束电子能量1 0 2 1 0 3k e v 相 比，脉冲电晕放电中电子能量要小得多，电子轰击气体分子发生解离、激发和电离所需 的能量一般在4 2 0e v ，所以，脉冲电晕放电完全可以替代高能电子束作为轰击烟气分 子的电子源。m i z u n o 等人【，1 的对比实验也证实高压脉冲电晕放电等离子体技术的能量利 用率比电子束法至少提高1 倍。脉冲电晕放电产生的等离子体中的高能电子与烟气中的 n 2 ，0 2 和h 2 0 等气体分子碰撞，使之解离、激发和电离，从而能够产生大量具有很强 化学活性的自由基和活性物种，如o h ，h 0 2 ，o ，h ，n ，0 3 ，n + ，n 2 + ，0 2 等。具有 很强化学活性的自由基和活性粒子能把烟气中的s 0 2 和n o 。氧化，在有n h 3 注入的情 况下生成硫酸氨和硝酸氨，被收集器收集，可作为农用化肥。由于该技术投资成本低、 设备简单、副产物可用作农用化肥，没有二次污染，可同时实现脱硫脱硝等独特优点， 该技术被认为是一种高效率、低成本的新方法，在国际上被认为是最有竞争力、最具应 用前景的烟气脱硫脱硝新技术。 在国际上，日本、韩国、意大利、加拿大、美国、俄罗斯等国家从8 0 年代未期就 对脉冲电晕等离子体烟气脱硫脱硝进行了不同规模的试验研究p 。1 川。m a s u d a t l j , 1 4 1 等人 利用正、负脉冲电晕放电进行了脱除n o 。、s 0 2 的实验，发现正、负脉冲电晕都可以脱 除n o 。，但是s 0 2 通过正脉冲电晕放电脱除效果较