Optical emission spectroscopy of non-equilibrium microwave plasma torch sustained by focused radiation of gyrotron at 24 GHz

Abstract

The electron and gas temperature of non-equilibrium argon plasma torch sustained by a focused 24 GHz microwave beam in the external atmosphere of air was measured by optical emission spectroscopy. The excitation temperature of argon atoms was found about 5000 K, while the vibrational and rotational temperatures of ambient nitrogen molecules were respectively estimated at 3000 K and 2000 K. The effective mixing of the external gas atmosphere into the plasma torch is experimentally demonstrated. The vibrational and rotational temperatures of nitrogen molecules slightly increased with the distance from the nozzle exit. Experimental results demonstrate that microwave discharge at atmospheric pressure may be relevant for the decomposition of highly stable molecules, e.g. carbon dioxide, in non-equilibrium conditions.

Особенности Формирования Нитевидной Структуры Микроволнового Разряда В Потоке Аргона

“…УФ излучение филамент и газодинамический вынос возбужденных частиц из нитевидной области самостоятельного разряда приводит к эффективному поглощению СВЧ поля в области несамостоятельного разряда -плазменного ореола, который визуально составляет основной объем плазменного факела. По всей видимости, такой неравновесный механизм возбуждения газа в области несамостоятельного разряда позволяет реализовать в плазменном ореоле существенно неравновесное распределение температурных характеристик, измерение которых было проведено в прошлых работах [26,27]. Такой тип неравновесного непрерывного разряда атмосферного давления может быть использован для решения ряда задач современной промышленной плазмохимии [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14].…”

“…При таком эффективном давлении внешнее электрическое поле СВЧ волны является пробойным, а разряд в филаментах -самостоятельным. Температурные характеристики самого плазменного факела, состоящего из филамент и ореола, соответствуют примерно среднему значению температур филамент и плазменного ореола, измеренным в прошлых работах [26,27]. Можно видеть, что увеличение мощности нагрева, которое приводит к увеличению длины факела, не влечет за собой увеличение интегральных температурных характеристик плазменного факела, что свидетельствует о большом числе неупругих столкновительных процессов с молекулами.…”

“…Ранее нашей научной группой было проведено исследование стационарного неравновесного плазменного факела, поддерживаемого в струе аргона, проникающей в окружающий воздух атмосферного давления, непрерывным миллиметровым излучением [10,26,27]. Разряд поддерживался в потоке аргона в области перетяжки СВЧ пучка с частотой 24 GHz и мощностью до 5 kW в непрерывном режиме.…”

“…В качестве источника СВЧ излучения в Схема экспериментальной установки. непрерывном режиме был использован технологический гиротрон с частотой излучения 24 GHz и мощностью до 5 kW[26,27]. Выходной гауссов пучок с линейной поляризацией вводился в цилиндрическую газоразрядную камеру, где фокусировался с помощью параболического зеркала на расстоянии 32 cm от него по оси камеры.…”

“…Выходной гауссов пучок с линейной поляризацией вводился в цилиндрическую газоразрядную камеру, где фокусировался с помощью параболического зеркала на расстоянии 32 cm от него по оси камеры. Длина перетяжки пучка составляет 11 cm, максимальная плотность мощности в этой области до 3.4 kW/сm 2 , среднеквадратичное значение поля 1.1 kV/cm[26,27].По оси симметрии пучка в области его перетяжки размещалась металлическая трубка с внешним диаметром 4 mm и внутренним 2 mm, по которой осуществлялась подача аргона. Положение среза трубки газового напуска соответствовало центру области перетяжки квазиоптического пучка.…”