基于大气压低温等离子体发射光谱的毒害物质检测方法研究

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化学毒气具有致命的杀伤力,一旦被使用或者泄露,将会对社会安全造成重大威胁。目前,毒气检测对灵敏性、实时性和小型化提出了更高的要求,而气体放电在常压下便可形成具有大量高能电子的低温等离子体,能够将微量的毒气进行裂解,同时基于发射光谱法响应迅速的特点,可实时获得所裂解毒气信息,为微量毒气检测提供了新思路。因此,本文设计实现了几种放电检测平台,并分析了检测效果,此外,还研究了激励源参数与特征谱线强度的联系,最后对等离子体微观参数进行了计算分析。首先,本文设计并实现了微波放电平台、火花放电平台和射频放电平台,其中火花放电平台根据激励方式不同又可分为纳秒脉冲放电平台和直流自脉冲放电平台。以甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为毒剂模拟剂,对几种不同放电平台的检测效果进行了分析并获得了DMMP的特征谱线,得到了微波放电平台具有最佳的检测效果的结论,并基于微波放电平台,又对马拉硫磷和三氯甲烷两种毒剂模拟剂进行了检测分析。其次,探究了电源功率、电源电压和放电气体等宏观参数对特征谱线强度的影响。主要结论为:微波放电平台下,微波功率对特征谱线的强度起积极作用;放电气体流速过高时会降低特征谱线强度;微波等离子体的位置关系上来看,处于头部位置的特征谱线强度最高。火花放电平台下,两种激励方式的电压都与特征谱线强度成正比关系,但在纳秒脉冲激励源下,电压过高会导致干扰峰变多,不利于特征谱线的辨别,同时,特征谱线强度会随着纳秒脉冲激励源频率的升高而升高。射频放电平台下,由于电离装置的烧蚀作用,特征谱线强度随着电压增大呈现先升后降的趋势。最后,对几种不同放电形式下等离子体的微观参数(气体温度、电子密度和电子激发温度)进行了计算,并探究了影响因素。微波放电平台下,微波功率的增加会导致气体温度和电子激发温度升高,而放电气体流速的增加则会导致气体温度和电子激发温度降低,此外,微波等离子体中间位置的电子密度和电子激发温度均为最高,利于待测试剂充分裂解。火花放电平台下,纳秒脉冲激励方式与直流自脉冲激励方式相比气体温度更高,两种不同激励方式下等离子体的电子密度随着电压的升高而升高,而两者电压对电子激发温度的联系有所不同:纳秒脉冲放电等离子体的电子激发温度与电压成正比,直流自脉冲放电方式下则成反比。射频放电平台下,分析了氩气放电与氦气放电的气体温度和电子密度,结果表明,氩气放电等离子体的气体温度和电子密度都比氦气放电等离子体高的多,这说明,氩气放电更有利于对毒剂分子的裂解。
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