一种基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置

本技术涉及等离子体识别诊断，特别是一种基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置。

背景技术：

1、本实用新型主要面向于“低温稀燃”的实验和研究，“低温稀燃”技术是通过设计较稀的混合气空燃比，实现低火焰温度的燃烧方式。稀薄燃烧的情况下，燃料可以更加充分的燃烧，避免由于不完全燃烧而产生的那部分co和碳烟。并且混合气变稀后，增大了混合气的工质绝热指数从而进一步提高压缩比，因此可以增强内燃机的循环热效率，极大地提高了燃油经济性。此外，较低的燃烧温度在降低了辐射损失从而提高热效率的同时，可以抑制nox产生。因此，“低温稀燃”技术可以很好地成为实现内燃机清洁高效利用的有效途径。

2、然而研究发现，“低温稀燃”只能在较窄的工况范围内运行，混合气过稀或高辛烷值燃料在小负荷和怠速工况下容易失火、燃烧循环变动增大，输出扭矩波动加大，发动机的运转变得不平稳，而在大负荷工况下则容易出“爆震燃烧”的现象。“低温稀燃”技术也被广泛地应用在火力发电领域，其中以“无焰燃烧”技术为代表。该技术的主要特点为在一定工况条件下产生稀薄无明显峰面的火焰，与传统燃烧方式相比，该技术除了可以极大地提高燃烧效率，还可以将污染物排放控制在很低的水平，并且相对低温的燃烧环境可以降低材料的耐热性的要求。同样的，该新型燃烧技术受到易失火、火焰不稳定等因素的制约，其有效工作范围较窄，这一问题在高压条件下变得尤为突出。因此，窄工况范围成了制约“低温稀燃”技术应用和发展的关键性因素，为了实现该技术的产业化应用，需要对其运行工况范围向大负荷和小负荷工况扩展。

3、等离子助燃能够有效地拓展“低温稀燃”技术的点火和稳定燃烧边界，提高在恶劣极端环境下燃烧性能。特别是低温非平衡特性等离子体，在工业中有着广泛的技术应用，其电子具有足够高的能量和反应物分子发生激发、解离和电离等过程；另一方面由于其反应体系在低温下进行，反应体系能耗较少。结合燃烧这一伴随着强力化学反应过程的流动过程物理化学本质，将等离子体和燃烧相结合的等离子助燃技术，能够有效地改善燃料的燃烧速率,降低点火温度，缩短点火时间,提高火焰稳定性。

4、等离子辅助燃烧的物理和化学动力学过程比较复杂，涉及到等离子体与燃烧体系的强烈耦合，等离子体在热力、动力以及流体方面对燃烧的强化影响，这使得掌握其助燃机制和调控作用十分困难。在等离子助燃体系中，这三种强化机制相互耦合，起到强化燃烧的作用。然而目前对于这三种强化机制如何影响燃烧过程的，仍缺乏足够的认识，甚至都不清楚对于哪一种机制贡献更大。等离子助燃体系是一个多物理场、多时间尺度、多组分复杂体系，而目前国内外的研究主要停留在现象认识的阶段，缺乏微观层面的认识，需要合理的物理模型来完备地描述其整个物理和化学过程。为了更有效地发挥等离子对于燃烧的促进作用，推动等离子助燃技术在实际动力装置的应用，需要对不同机制下的强化燃烧的影响规律更为细致的研究，特别是利用先进的诊断方法对等离子燃烧体系中复杂组分进行有效探测，从微观层面揭示等离子作用下的强化燃烧机理，现有技术中缺乏相应的实验装置及方法。

技术实现思路

1、本实用新型针对上述问题，提供一种基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，包括反应器、电气系统、真空系统和组分诊断系统。

2、所述反应器包括石英管、铜板电极和绝缘陶瓷；以所述石英管的末端作为等离子放电区域，所述石英管的前端作为反应器的进料端；所述铜板电极包括对向设置在所述等离子放电区域两侧的正负电极；所述绝缘陶瓷包覆在所述铜板电极及等离子放电区域的外侧，用以对所述等离子放电区域进行电气绝缘；所述反应器的出口端设置有石英喷嘴；

3、所述电气系统包括脉冲电源和探测组件；所述脉冲电源与所述铜板电极电性连接，

4、用于给所述反应器提供供能量输入；所述探测组件用于对所述电气系统的电气参数进行实时监测；

5、所述真空系统设置在所述反应器的出口端，用于给所述组分诊断系统提供真空环境；

6、所述组分诊断系统在所述反应器的出口端，包括采样组件和质谱分析组件；所述采样组件衔接所述石英喷嘴设置形成采用段并进行采样并得到分子束；所述质谱分析组件衔接所述采用段设置形成质谱分析段并对所述分子束进行等离子体诊断分析。

7、作为本实用新型的进一步说明，所述质谱分析组件采用反射式飞行时间质谱仪作为探测器，采用直线加速器和储存环作为同步辐射光的光源产生装置。

8、更进一步地，所述石英管采用纯度≥99.99％的高纯石英制作，所述石英管的进样段上设置有用于使燃料完全气化的加热带。

9、更进一步地，所述脉冲电源为高压纳秒脉冲电源，通过高压电缆与所述铜板电极连接。

10、更进一步地，所述探测组件包括高压探头、电流线圈和示波器，所述高压探头、电流线圈和示波器接入到所述电气系统的电路中对电压和电流进行实时监测。

11、更进一步地，所述电气系统由可以屏蔽电磁干扰的电磁屏蔽布整体屏蔽包覆。

12、更进一步地，所述真空系统包括第一泵体和第二泵体，所述第一泵体用于所述采用段的抽真空处理，所述第二泵体用于所述质谱分析段的抽真空处理。

13、另一方面，本实用新型还提供一种上述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置的实验方法，实验过程中由石英管将燃料氩气混合后通入反应器的等离子放电区域中进行等离子体助燃反应，进料过程中通过质量流量控制计对气态燃料进行流量控制；在所述反应器的出口端由采样组件进行真空采用并形成分子束，由质谱分析组件对所述分子束在真空环境下进行基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断，得到所述等离子体助燃反应的等离子体诊断分析结果。

14、更进一步地，所述石英管内的压强为30torr，在所述等离子放电区域中进行常温状态下的等离子体助燃反应。

15、更进一步地，所述采样组件进行采用的真空环境压强为10-4torr，所述质谱分析组件对所述分子束进行等离子体诊断的真空环境压强为10-7torr。

16、本实用新型的有益效果：

17、本实用新型基于同步辐射诊断技术，并结合分子束质谱技术，建立可实现等离子助燃体系全面诊断的实验装置系统，可实现对等离子燃烧体系的离子、分子、自由基等组分进行全面实时测量，具有强大的等离子诊断能力，能够给等离子助燃技术实验研究提供有力的支撑。

技术特征：

1.一种基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，包括反应器、电气系统、真空系统和组分诊断系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，其特征在于：所述质谱分析组件采用反射式飞行时间质谱仪作为探测器，采用直线加速器和储存环作为同步辐射光的光源产生装置。

3.根据权利要求1或2所述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，其特征在于：所述石英管采用纯度≥99.99％的高纯石英制作，所述石英管的进样段上设置有用于使燃料完全气化的加热带。

4.根据权利要求3所述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，其特征在于：所述脉冲电源为高压纳秒脉冲电源，通过高压电缆与所述铜板电极连接。

5.根据权利要求3所述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，其特征在于：所述探测组件包括高压探头、电流线圈和示波器，所述高压探头、电流线圈和示波器接入到所述电气系统的电路中对电压和电流进行实时监测。

6.根据权利要求3所述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，其特征在于：所述电气系统由可以屏蔽电磁干扰的电磁屏蔽布整体屏蔽包覆。

7.根据权利要求3所述基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，其特征在于：所述真空系统包括第一泵体和第二泵体，所述第一泵体用于所述采用段的抽真空处理，所述第二泵体用于所述质谱分析段的抽真空处理。

技术总结
本技术公开一种基于同步辐射光电离质谱的等离子体诊断实验装置，实验装置包括反应器、电气系统、真空系统和组分诊断系统。以石英管的末端作为等离子放电区域进行等离子体助燃反应，外侧通过绝缘陶瓷包覆进行电气绝缘；所述反应器的出口端设置有石英喷嘴；真空系统设置在所述反应器的出口端，用于给所述组分诊断系统提供真空环境；组分诊断系统在所述反应器的出口端，包括采样组件和质谱分析组件，对反应后产物进行采样和分子束等离子体诊断分析。本技术基于同步辐射诊断技术，并结合分子束质谱技术，建立可实现等离子助燃体系全面诊断的实验装置系统，可实现对等离子燃烧体系的离子、分子、自由基等组分进行全面实时测量，具有强大的等离子诊断能力，能够给等离子助燃技术实验研究提供有力的支撑。

技术研发人员：廖汉东,杨添茵,李昭强
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：20230727
技术公布日：2024/2/6