He二维射流阵列放电模式转换条件实验

为获得高强度和大面积大气压下等离子体射流,利用类蜂巢状电极结构,在大气压He中获得了两种不同模式的二维射流阵列放电,比较了它们的放电特性,并研究了气流速度、射流单元之间距离和外加电压幅值等参数对射流阵列模式转换的影响。结果表明,He中射流阵列在一定条件下会出现具有较高放电强度的强耦合模式和具有较大放电面积的均匀模式两种放电模式,相同的外加电压幅值下,强耦合模式阵列的放电功率、传输电荷和主要粒子谱线强度均高于均匀模式。射流单元之间距离和气体流速是影响射流阵列模式转换的主要决定因素,外加电压的变化只会影响到放电强度而不会影响到射流阵列的放电模式。射流单元之间距离为0.2mm,流速小于5L/min时,放电模式为强耦合模式;流速大于5L/min放电转换到均匀模式;当射流单元之间的距离超过0.4mm时,放电只出现均匀模式。     

大气压He中2维射流阵列放电特性的影响因素

为获得大气压大面积射流低温等离子体,在大气压He中产生稳定的2维射流阵列放电,并通过发光图像、电压电流波形、Lissajous图研究其发光特性和电气特性。在此基础上,研究了电极结构、电压幅值、气体体积流量对2维射流阵列放电特性和均匀性以及射流长度、放电功率和传输电荷等关键放电参数的影响。结果表明:针–环和针–环–板结构的射流阵列在一定条件下都能产生均匀、稳定的等离子体射流阵列。电压幅值的增加对放电均匀性影响不大,但能有效提高射流阵列的放电功率和射流长度,从而提高射流阵列放电强度;气体体积流量对放电强度影响较小,但对放电均匀性影响较大,因此增大气体体积流量可以提高放电均匀性;电极结构对放电功率和传输电荷影响较少,在电压幅值、气体体积流量较小的情况下,板电极的引入有助于获得更长的射流。     

Ar气中1维等离子体射流阵列的实验研究

为获得大面积射流等离子体,建立了大气压Ar气中1维等离子体射流阵列产生装置。通过电压电流波形、发光图像以及发射光谱等手段诊断了其放电特性,研究了外加电压幅值、气体流速和电源频率等对射流阵列产生的影响,得到了阵列最优工作条件,并获得此条件下阵列的放电功率和传输电荷和活性粒子等参数,进而分析了放电的排斥和耦合机制。发光图像拍摄的结果表明:外加电压幅值为8.5 k V,气体体积流量为20 L/min,电源频率20 k Hz时,射流阵列等离子体喷出管口最长,各管间排斥作用和耦合作用最小,放电最强烈,此时放电功率为101.85 W,传输电荷为1 716 n C。阵列中各管间彼此存在Coulomb力和Lorentz力,出现一定偏移是这2个力综合作用的结果。     

HMDSO添加对大气压Ar等离子体射流阵列放电特性的影响

大气压等离子体射流阵列是适合大面积复杂材料表面处理的等离子体形式。针对材料表面处理对大面积等离子体源的需求,在实现大气压一维Ar等离子体射流阵列的基础上,在工作气体中添加六甲基二硅醚(HMDSO)来获得含憎水性成分的射流阵列放电,利用电学和光学的诊断方法诊断射流阵列的放电特性,并研究了外加电压幅值和HMDSO体积分数变化对射流阵列放电均匀性、放电功率、传输电荷和主要活性粒子的影响,进而优化了大气压Ar等离子体射流阵列的工作条件,为射流阵列憎水改性应用提供参考。结果表明:随着HMDSO体积分数增加,放电电流脉冲幅值、每半周期的脉冲个数、放电功率以及传输电荷均下降,放电耦合排斥作用被抑制,放电均匀性有所加强;除了Si谱线,放电产生的主要粒子谱线强度均随HMDSO体积分数的增加而减小;Si谱线随着HMDSO体积分数提高先增大后减小,在HMDSO体积分数为0.02%时,Si谱线强度出现极大值,因此工作于该条件下的Ar/HMDSO等离子体射流阵列应用于材料的表面憎水改性,有望获得良好效果。     

纳秒脉冲表面放电等离子体影响因素的实验研究

在大气环境条件下,以环氧为介质阻挡材料,基于单极性ns脉冲电源进行了表面介质阻挡放电实验,研究了电压幅值、电极宽度、电极间距和重复频率对放电等离子体的影响。结果表明ns脉冲表面介质阻挡放电是丝状放电,放电发生在电压脉冲的上升沿阶段;放电电流主要包括两部分脉冲,与放电丝分布的均匀性有着一定的内在关系,外加电压对放电的均匀性以及产生等离子体的长度起作用;电极宽度和间距对放电电流和产生等离子体的发光强度影响不大,电极宽度和间距越小,放电丝分布越均匀,电极宽度存在一个最优值,使得激励器的放电稳定且产生等离子体相对均匀;脉冲重复频率仅对等离子体强度起作用,对放电特性的影响较复杂,不同电极参数下这些影响与放电丝的分布状态有关。     

空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电研究

大气压空气中均匀介质阻挡放电具有广泛的应用前景,实现均匀放电是介质阻挡放电应用关键之一,因而利用上升沿40ns,脉宽70ns的重复频率纳秒脉冲电源激励在大气压空气中产生介质阻挡放电,介绍了纳秒脉冲均匀介质阻挡放电的电特性和放电图像及放电发射光谱,获得了2ns曝光时间的高速摄影放电图像。发现空气中1mm气隙距离下可以实现均匀放电,气隙距离增加至4mm时放电转变为明显的丝状放电,通过观察发射光谱显示等离子体谱线主要是来自400nm以下的氮分子第二正系。结果证实了大气压空气中利用ns脉冲激励可以产生稳定介质阻挡放电,且能实现均匀放电,是典型非平衡态低温等离子体。     

轻质高频高压纳秒脉冲电源研制

高压脉冲电源是产生放电等离子体及其应用于生物医学、材料表面处理及流动控制的重要激励源.基于单极性Marx电路与脉冲变压器相结合的思路,利用脉冲变压器的电压波形过冲现象,开发了一台高频高压纳秒脉冲电源样机.该电源样机输出电压幅值最高可达21 kV,频率最高达16 kHz,上升沿和下降沿分别约为145 ns和215 ns,脉宽约为250 ns;输出平均功率为125W以内时,整机效率高于80％.该脉冲电源的输出电压、频率等参数连续可调且体积较小.上述研究为开发应用于放电等离子体的高压脉冲电源提供重要参考.     

纳秒脉冲等离子体合成射流的气动激励特性

等离子体合成射流是一种快速、宽频的气动激励方式,由于激励强度高、射流速度大,在超音速流动控制方面具有广阔的应用前景。等离子体合成射流气动激励特性的研究将为揭示等离子体合成射流的产生和演化机制提供必要的基础。为此,研究ns脉冲等离子体合成射流气动激励特性,在常规大气环境进行了发射光谱测试,通过对380.5nm附近的谱线进...     

基于不同脉冲电源的超声速气流电离实验研究

为了研究不同脉冲电源对超声速气流电离的影响,探究产生均匀稳定等离子体的方法,在超声速条件下ns脉冲放电实验系统中分别采用FID ns脉冲电源和NSPS3U30F2型脉冲电源对2倍声速的气流进行了电离实验。研究表明FID ns脉冲电源放电时比较稳定,超声速条件下放电电压峰值达到12.3 kV,电流第1个脉冲峰值为15.8A,电流震荡多次后趋于稳定,单脉冲放电能量为1.317 7 mJ,能量利用率较低、均匀性较差、放电较弱,放电频率的增大可以使辉光变强,改善放电特性;NSPS3U30F2型脉冲电源放电时,放电电压峰值仅有3.2 kV,电流第1个脉冲峰值为3.9 A,最大峰值为4.58 A,单脉冲放电能量为3.184 9 mJ,放电呈现为丝状不稳定状态,且沿着气流方向滑动;由于击穿时延的不可忽略性,NSPS3U30F2型脉冲电源只能实现单针放电通道的形成;综合两种电源的优缺点,在超声速条件下实现均匀稳定放电应选用FID ns脉冲电源,研究结果对后续开展磁流体技术相关实验提供了基础。     

外部磁场对直流电弧等离子体放电特性的影响及其机理

通过外部磁场驱动电弧旋转产生相对均匀的等离子体是一种可能的改进等离子体放电特性的有效手段。利用高速摄像技术和虚拟仪器技术,观察并测量了大气条件下、非均匀磁场驱动的直流电弧等离子体阳极弧根运动以及电弧电压波动。结果发现:相比无外部磁场,非均匀外部磁场驱动下的直流电弧等离子体在旋转力和稳弧力的作用下阳极弧根旋转,均匀性提高;其电弧电压波动幅度增大,放电模式发生改变;伏安特性曲线向上平移,电弧等离子体炬放电功率提高。另外,由于等离子体射流的高速运动而引起的等离子体射流在喷口处径向扩张,使等离子体射流横截面扩大,进一步提高了射流的均匀性。从结果中可以看出,外部磁场改善了直流电弧等离子体炬的基本特性,对直流电弧等离子体炬应用效率的提高具有重要的意义。     

大气压空气中纳秒脉冲弥散放电实验研究

为了能够在大气压下获得大面积高能量密度的低温等离子体,近年来弥散放电的研究与应用受到广泛关注。采用基于磁脉冲压缩系统的重复频率ns脉冲电源来激励大气压空气中尖板电极结构放电,通过电压电流测量和发光图像拍摄研究了弥散放电的特性。实验结果表明,在常温常压和高重复频率下能够获得大面积均匀的弥散放电,气隙距离增大或减小时,弥散放电分别向电晕放电与火花放电转换。重频ns脉冲放电存在极性效应,电极的小曲率半径处施加负脉冲时需要比正脉冲更高的电场强度才能获得弥散放电。此外,弥散放电的强度随着脉冲上升时间的增大而减弱。因此合适的气隙距离、极不均匀电场的强场处施加正极性脉冲和较陡的脉冲上升时间有利于获得较为强烈的弥散放电。     

μs脉冲等离子体气动激励特性的实验研究

等离子体气动激励特性的测试诊断是揭示等离子体流动控制物理作用机制的重要基础。为此,主要在常规大气环境条件下,对μs脉冲等离子体气动激励特性进行电、光谱和流动特性的综合测试诊断实验研究。实验结果表明:μs脉冲放电的本质是丝状放电,在一个周期内,放电集中在正电压脉冲和负电压脉冲的上升沿;随着激励电压幅值增大,发射光谱强度增大,但表征电子温度和密度的典型谱线比变化不大;在放电的起始阶段,等离子体气动激励诱导了启动涡,启动涡随后发展成近壁面射流;激励电压和脉冲重复频率越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;μs脉冲等离子体气动激励为非定常激励,消耗的功率比激励电压波形为连续正弦波时减小约30%,对于等离子体流动控制研究更为有益。     

大气压空气中管-板电极结构重复频率纳秒脉冲的放电特性

由于重复频率窄脉冲气体放电具有的高过电压倍数,能够稳定地激励大气压空气等离子体,近年来受到了广泛关注。为此,利用上升沿15ns、半高宽30～40ns的负极性ns脉冲激励大气压管-板电极结构空气放电,通过电压电流测量,放电图像拍摄和X射线探测研究了ns脉冲气体放电模式和X射线辐射特性。结果表明,ns脉冲放电存在电晕、弥散...     

用于产生非平衡等离子体的纳秒级脉冲电源研制

为了给非平衡等离子体相关实验提供ns级高压脉冲,研制了一台基于传输线变压器(transmission linetransformer,TLT)原理的高压重频ns脉冲电源,通过在传输线外套加磁环增加二次阻抗,提高TLT的输出电压和能量传输效率。同时设计了一种电容-开关-传输线的紧凑化同轴结构。实验表明,在连接匹配负载条件下,电源输出脉冲电压峰值可以达到26kV,脉宽100ns,上升时间25ns,可在500Hz频率下稳定运行。同时成功地将其应用于大气压氩气等离子射流实验,发现与正弦电压相比,相同电压峰值下,脉冲电源作用下的等离子体射流长度更长,但2种电源作用下的射流长度均出现饱和现象,同时电源频率对射流长度无明显影响。     

AC激励下的针-水电极等离子体特性

为研究AC激励产生的等离子体的物理特性,通过电压电流波形测量和高速摄影仪拍摄对AC激励产生针-水电极等离子体的电特性和放电现象进行了研究,并通过比色分析法对生理盐水中生成的H2O2浓度进行了测量。研究表明:20kHz激励下的针-水电极的放电过程存在脉冲模式和连续模式2种工作模式。在脉冲工作模式下,当电极两端电压极性发生改变时,等离子体熄灭,每1个电压周期都需要较大的电压来击穿气体间隙,但此击穿电压比初始击穿电压低许多倍。在连续工作模式下,等离子体放电强度变强,且持续存在于放电间隙。针-水电极放电产生的等离子体可以在生理盐水中有效地生成H2O2,且在脉冲工作模式下生成H2O2的效率更高。然而,由于Fenton反应的影响,AC激励针-水电极放电等离子体对生理盐水的处理时间应≤50s。     

静止空气中重频脉冲火花放电等离子体的气动激励特性

不同的状况下的重频脉冲(PRF)火花放电等离子体气动激励特性并不相同。为此,采用重频脉冲电源和激励器在静止空气中产生火花放电等离子体气动激励,研究了其激励特性。实验结果表明:由于重复脉冲火花放电存在快速加热,因此会瞬间产生很大的温度升和气压升,进而诱导产生冲击波;冲击波在流场中以声速传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动。保持脉冲重复频率不变,当激励电压绝对值增大时,注入流场的单脉冲能量和冲击波波速都随之增大。而保持激励电压不变,增大脉冲重复频率时,注入流场的单脉冲能量和冲击波波速基本不变,同时由于放电周期变短,因此上一个放电周期产生的弱扰动在下一次放电时仍然存在。     

面向等离子体高能合成射流应用的重频脉冲源研制

等离子体合成射流是高速流场控制的一种重要手段,而高重频、大能量的等离子体合成射流可以产生更好的流动控制效果。为此研制了一台可实现高重频等离子体高能合成射流的脉冲电源,输出参数为:电压幅值0~10k V,重复频率0~1 000 Hz可调,脉宽15μs,放电电流峰值320 A,放电能量超过150 m J。首先,对脉冲源的拓扑结构进行了设计,对其工作原理进行了说明。其次研究了放电电容对于输出波形的影响,并在高重频条件下进行了放电特性和能量特性分析。最后,利用纹影系统观察了射流流场的发展过程。实验结果表明:高重频条件下输出电压稳定性良好;随着放电电容的增大,放电持续时间延长,放电电流增大,放电能量增加;此外,纹影系统观测表明合成射流速度可达150 m/s。该电源可应用于流动控制领域。     

水蒸气添加对纳秒脉冲激励氩气DBD放电特性的影响

为了制备高能效、高活性且均匀稳定的大气压等离子体源,利用纳秒脉冲电源驱动氩气介质阻挡放电(dielectricbarrierdischarge,DBD),并添加H2O增强等离子体活性。通过电学及光学诊断方法,系统分析研究了H2O体积分数对放电特性的影响规律,并利用图像灰度标准差方法和等效电路模型方法,定量计算了放电均匀性和放电微观参量。结果表明,纳秒脉冲激励氩气DBD中H2O体积分数较低(0%～0.2%)时具有较好均匀性,当H2O体积分数升高后,其吸附电子引起空间电场畸变,产生明亮放电细丝导致放电均匀性降低,过量H2O添加会使放电熄灭;由于添加少量H2O可促进等离子体中电离过程,传输电荷、放电平均功率及能量效率随着H2O体积分数增加而增加,并在H2O体积分数为0.1%时达到极大值,之后随着H2O体积分数增加而减少。通过OH和Ar激发态粒子发射光谱强度表征等离子体活性,发现当H2O体积分数达到0.1%时,OH和Ar谱线强度达到最大,Ar激发态粒子发射光谱强度比值表明电子能量随着H2O体积分数增加而升高,在H2O体积分数为0.1%时达到最大值,之后降低。     

射频放电等离子体气动激励特性的实验研究

为了提高等离子体气动激励的强度及流动控制的能力,实验研究了射频放电等离子体的气动激励特性。建立了射频放电等离子体气动激励实验系统,由射频信号发生器、阻抗匹配升压变压器、尖–尖电极等离子体激励器等组成。尖–尖电极等离子体激励器由一组对称的电极和固定装置组成,电极材料采用钨,固定装置材料采用胶木,固定之后电极间距为0.5 mm。在静止空气条件下进行实验,研究了射频放电等离子体的电特性和诱导流动特性。实验结果表明:气压变化时,等离子体激励器的阻抗会发生变化,耦合到等离子体激励器的输入功率也不同;在大气压下,由于射频放电存在快速加热作用,在静止空气中诱导产生了近似圆柱形的冲击波;冲击波首先以音速向外传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动;采用射频电源、重频脉冲直流电源、ns脉冲电源,均能在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波波速接近音速。由于射频电源的体积、重量更小,实现阻抗匹配之后所需的电源输入功率最低,因此,射频放电是一种非常有前景的气动激励产生方式,在等离子体流动控制方面可能取得较好的效果。     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.