O原子是非热等离子体中一种非常重要的活性物质，通过补氧提高O原子数量，是提高等离子体系化学活性的重要手段之一。在进行深入分析过程中，我们常常需要定量测定O原子密度，而在诸多手段中，双光子吸收激光诱导荧光T ...
O原子是非热等离子体中一种非常重要的活性物质，通过补氧提高O原子数量，是提高等离子体系化学活性的重要手段之一。在进行深入分析过程中，我们常常需要定量测定O原子密度，而在诸多手段中，双光子吸收激光诱导荧光TALIF方法最为常用。但是，研究团队在富氧条件下测定O原子密度时遇到了一个问题： 放电生成的O3会被TALIF激光诱导解离形成大量O原子，导致测定的O原子数量偏离真实值。为了解决该问题，重庆大学熊青研究员团队发展了同步双激光的测量方法，一方面分离了O3光解离干扰，另一方面同时测定了O和O3物质的密度，解决了上述实验诊断难题，实现了O原子密度的高水平高准度定量测定。实验示意图如下：
图 1. 同步双激光TA-LIF实验示意图 通过臭氧发生器产生已知浓度的O3气体，先在266nm激光下全部光解离，产生的O原子再经226nm激光激发TALIF过程。两束激光共轴，并相互间隔100 ns，以保证O3与生成的O原子碎片之间1：1的密度比例关系，由此实现对O原子TALIF信号的绝对标定。该标定方式在理论上比氙气标定更加准确（氙原子的TA-LIF截面精度不确定）。
图 2. （a）脉冲线-板DBD装置；（b）放电图像及同步双激光模式下的TALIF信号；（c）放电UI图；（d）脉冲结束后气体温度的时间演化 该标定方法首先成功应用于纳秒脉冲激励的线-板He/O2介质阻挡放电，具体实验装置及UI曲线、气体温度时间行为如图2所示，气体组成为90%He+10% O2。 采用同步双激光的测量方式，得到的TALIF信号对应的是脉冲结束后O与O3的总量，再结合已知O3浓度的TA-LIF绝对标定，便可得到脉冲结束后任意时刻O和O3的密度总和。结合零维化学反应动力学模型，便可将O和O3生成量进行分离，并得到脉冲结束后两者的密度演化行为。 脉冲激励He/O2 DBD放电结束后涉及O和O3的主要化学反应过程如下表所示：
脉冲结束后O3主要通过O+O2+M→O3+O2的三体碰撞反应生成，则O和O3密度在放电后的演化过程可通过以下方程描述：
求解方程（1-4）并比对各时刻O和O3的密度总和，便可得到两者在放电结束后任意时刻的密度，实现O和O3测量的分离和量化。 图3展示了低、高脉冲频率下，放电结束后O和O3的密度时间演化行为，可以看出：低脉冲频率时放电结束初期O3的密度较低，此时TA-LIF信号主要来自放电本身产生的O原子，O3的光解离干扰对O原子TA-LIF测量影响可以忽略；但是在放电结束后期，或者高脉冲频率条件下，由于O3的生成或者累积（高脉冲频率情况），O3的光解离干扰逐渐明显，此时由单一激光（通常为226nm）TA-LIF测量得到的O密度将被高估而不准确。
图 3. 不同脉冲频率下（左：10 Hz；右：700 Hz），单一激光（226 nm）、同步双激光（266 nm & 226 nm）测量的放电结束后TA-LIF信号，以及结合动力学模型得到的O和O3密度时间演化行为。 上图中，在10Hz脉冲放电结束后期（如100 us）、或整个700 Hz脉冲放电结束期间，单一激光（226nm）测量到的TA-LIF信号几乎全部（或主要）来自O3光解离产生的O原子，而非放电本身产生的O原子。 需要注意的是，在更为复杂的非重复性等离子体放电（如直流、射频或微波驱动的（准）稳态富氧非热等离子体）中，难以构建类似脉冲放电的简要化学反应动力学过程。为此，该团队进一步拓展研究，实现了通过单一激光（226 nm）、同步双激光（266 nm & 226 nm）的TA-LIF信号强度之差，并基于已知O3浓度的绝对标定，来测量（准）稳态富氧非热等离子体中O3密度并将其分离，从而测定O的绝对密度。 团队复杂条件下的O原子测定系列工作已发表于Plasma Sources Sci. Technol.，有兴趣的读者可详细查阅： [1] Zhan Shu, Junjie Qiao, Chuanqi Wang, QingXiong*, Simultaneous quantification of atomic oxygen and ozone by fullphoto-fragmentation two-photon absorption laser-induced fluorescencespectroscopy, Plasma Sources Science& Technology, 30, 055001(2021). [2] Junjie Qiao, Zhan Shu, Chuanqi Wang, QingXiong*, O3 interference on TALIF measurements of atomic oxygen in O2-mixednon-thermal plasmas：quantification andseparation, Plasma Sources Science &Technology, under review (2021).
喜欢请关注公众号：等离子体计算工坊
公众号交流微信：工坊君 你感兴趣的就是工坊希望和你共同学习的 |
