纳秒脉冲水中电晕放电基础物理化学特性的研究

High voltage underwater electrical discharges have attracted a lot of interest in recent years due to their rapid developments for different environment- and energy-related applications. Among the different types of discharges, much attention have been focused on the nanosecond corona in water, which exhibits a lower temperature, higher energy efficiency, and minimum electrode erosion, mostly because of its short pulse duration. The proposed study will focus on the investigation of the basic physical and chemical characteristics of nanosecond (pulse width 8-100 ns) corona discharge in water. A platform for the research of underwater plasma will be built. The techniques for time-averaged and time-resolved diagnostics for different parameters including voltage and current waveforms, pulse frequency, pulse width, plasma temperature, electron density, production rate of radicals will be developed. Based on the information retrieved from the experiments, a kinetic model will be developed to simulate the production and quenching path of key radicals including OH, H, and O by the underwater discharge process. The proposed research will enable us to get a better understanding of the nanosecond underwater corona discharge, which is essential for the development and optimization of this new technology for future industrial water treatment applications.

水中放电等离子体近年由于其在生物医学、环境等领域的应用引起了国内外研究者的极大兴趣。其中水中纳秒脉冲电晕放电由于其放电温度低、能量利用率高、电极烧蚀小等特性而受到格外的关注。本课题将针对脉冲半高宽在8-100纳秒之间的水中放电等离子体的物理化学特性开展基础研究工作，搭建水中放电实验平台，通过高速示波器、ICCD相机、高分辨率光谱仪手段对不同时刻放电参数（极性、脉宽、频率等）、等离子体形态、温度、电子密度、自由基相对浓度等信息进行时间平均和时间分辨诊断，并在实验基础上建立纳秒脉冲水中电晕放电中关键自由基（OH，H，O等）产生和淬灭机理的模型，加深对纳秒高压脉冲水中放电物理机制方面的认识，探索自由基生成的控制技术。该研究不仅在水中放电等离子体领域具有重要的理论价值，而且也可为利用这种新型等离子体进行水中污染物降解的工艺方案设计与优化提供实验基础和指导。

高压脉冲等离子体液相放电的研究始于20 世纪初，早期研究的推动主要来源于高压绝缘领域。至今大量高压器件仍依赖于各类液态介质为其提供不同部件间的绝缘和保护。近十余年来，水中放电等离子体近年由于其其放电温度低、能量利用率高、电极烧蚀小等特性而在生物医学、环境等领域引起了国内外研究者的极大兴趣。本课题针对脉冲水中放电等离子体的物理化学特性开展基础研究工作，通过搭建水中放电实验平台，利用高速示波器、ICCD 相机、高分辨率光谱仪手段对不同时刻放电参数、等离子体形态、发射光谱等信息进行了时间平均和时间分辨诊断，定量分析了水中放电流注长度、形态与激励电脉冲半高宽的关系，发现了当有气泡存在时水介质被击穿时的直接放电模式和沿面放电模式，利用激光诱导荧光技术对等离子体与水接触时OH自由基的分布进行了检测，并在实验基础上对脉冲水中电晕放电中关键自由基产生进行了建模，加深了对纳秒高压脉冲水中放电物理机制方面的认识。在上述理论研究的指导下，设计搭建了新型针孔式放电装置，并首次提出利用纳秒脉冲水中放电发射光谱进行水中痕量污染物的测量，为此类污染物的实时在线测量提供了全新的途径。总体来说，该项目的开展不仅在水中放电等离子体领域具有重要的理论价值，而且也为利用这种新型等离子体进行水中污染物检测和降解的工艺方案设计与优化提供了实验基础和指导。