[发明专利]一种诊断空气等离子体中N2长寿命电子亚稳态的方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种诊断空气等离子体中N₂长寿命电子亚稳态的方法。

背景技术

含空气放电所形成的等离子体中一般包含电子、离子（N⁺，O⁺，H⁺，N₂⁺，O₂⁺）、原子（N，O，H）、分子（N₂，O₂，H₂O，CO₂）、自由基（OH，HO₂，NH）及长寿命电子亚稳态N₂（A³Σ_u⁺）等。这些物种间以及与电极、器壁、工件或基底表面的碰撞所引起的传能、吸附、脱附、溅射及化学反应等会引发一系列在常规手段下难以进行的极其复杂的物理-化学过程。起初，自由基被认为是引发各种化学反应过程的主要活性物种，因此对自由基的诊断研究开展较多。但近年来随着对非平衡态低温等离子体物理过程研究的不断深入，研究人员逐渐认识到长寿命电子亚稳态物种在某些反应体系中也扮演着异常重要的角色。例如，在等离子体脱除氮氧化物（NO_x）研究中，N₂长寿命电子亚稳态（A³Σ_u⁺）物种与水分子碰撞，产生大量OH自由基：N₂（A³Σ_u⁺）+ H₂O→OH+H+ N₂，其反应速率常数高达4.2×10^-11㎝³s^-1，直接影响到氮氧化物的脱除效果。而且相关研究还表明亚稳态N₂（A³Σ_u⁺）分子与N₂O的碰撞反应还可能是脱除烟气中N₂O的重要通道之一。另外，氮亚稳态和高振动激发态与H₂O、O₂等分子碰撞产生自由基，通过自由基反应间接脱除甲醛，更有人提出通过以下的反应机制：N₂（A³Σ_u⁺）+ HCHO→HCO+H+ N₂，氮亚稳态可以直接脱除甲醛。为了证明所推测的反应机制，揭示等离子体活性机理，研究人员进行了各种实验上的尝试，试图诊断含有N₂的电子亚稳态物种的等离子体系统。

对于常规的光学发射光谱（Optical Emission Spectroscopy，OES）方法，原则上只适合于对原子、分子、自由基和分子离子（如N，N₂，N₂⁺）的电子激发态物种进行测量诊断，并不能对处于电子基态的物种进行探测，因为N₂的电子亚稳态A³Σ_u⁺相对于电子基态X¹Σ_g⁺是跃迁禁阻。因此很难应用传统光学发射光谱（OES）方法诊断亚稳态A³Σ_u⁺浓度布居。