用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲.选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值.测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns.负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz.电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变.该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求.     

沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入理解沿面介质阻挡放电(SDBD)的放电机理,揭示其产生等离子体的特性参数的演化规律,基于放电的物理过程和实验结果,以非对称结构SDBD发生器为研究对象,建立了其集总参数等效电路模型。首先参照高速相机拍摄的放电图像,估测了等离子体几何尺寸与电压幅值的关系曲线,借助Matlab/Simulink软件,联立Boltzmann方程求解器,求解基尔霍夫电压方程、电子连续性方程,得到电流、电子数密度、电子温度、等离子体电阻、气隙电压、介质表面电压等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步计算了电子数密度、电子温度、电阻、容抗随电流密度的变化规律。结果表明:随着电流密度的增加,电子数密度和电子温度增大,等离子体电阻和容抗则非线性减小。研究结果可供深入分析激励器放电特性、实现阻抗匹配、提高等离子体发生器效率参考。     

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体激励器的特性

沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体在空气动力学、生物医学以及环境保护等领域具有广阔的应用前景。为了进一步了解激励器结构对SDBD等离子体放电特性参数的影响,采用光电联合测量手段,分析了在ns脉冲电源作用下,等离子体激励器电极的封装和对称性对放电电流、N2(C3Πu)振转温度、电子温度、电子密度等等离子体特性参数的影响。结果表明:封装有利于稳定放电,能够提高发射光谱的强度和振转温度,增加电子密度;与非对称结构等离子体激励器相比,对称结构等离子激励器放电发生的时刻较早,存在较为明显的二次放电,且具有较高的电流峰值、N2(C3Πu)振转温度、电子温度以及电子密度。当频率从200 Hz增加到1 400 Hz时,3种结构等离子体激励器放电对应的谱线强度和转动温度增加,振动温度下降,电子温度受重复频率的影响较小。研究结果有利于深入理解ns脉冲的放电机理及能量传递机理。     

纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。     

不同电极间距下纳秒脉冲表面介质阻挡放电分布特性

电极间距是表面介质阻挡放电(SDBD)的一个重要结构参数。通过实验研究和仿真计算,研究电极间距对纳秒脉冲SDBD等离子体分布特性的影响,并从理论上分析类弥散和离散通道两种等离子体分布的形成机制。实验研究表明,电极间距是造成两种典型特性及不同等离子体分布的关键结构参数。通过对放电区域外电场的仿真计算发现,不同电极间距下外电场分布形态和数值的差异,是形成两种不同等离子体分布模式的直接原因。结合气体放电基本理论,分析认为:等离子体类弥散分布是由于流注前向发展和横向激发电离同时在起作用,而离散通道分布是因为流注通道以前向发展为主、横向电离作用较弱;两种等离子体分布模式形成的根本原因在于电场随时间的增大率和随空间的减小率以及流注通道的发展速度之间的匹配。     

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体氮还原合成氨的研究

氨气(NH3)可以合成富含氮的化肥,还是不含碳的能量载体.工业合成氨工艺通常在高温高压条件下进行,会消耗大量能源且伴随着温室气体的排放.低温、常压下的非热平衡等离子体为合成氨提供了一种有潜力、可持续的途径.为此以氮气和氢气为原料,在低温常压下用脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨,主要探究了脉冲参数(脉冲峰值电压、脉冲重复频...     

三电极脉冲沿面介质阻挡放电等离子体特性及除冰研究

风力发电机和飞机在低温潮湿环境下运行时存在表面覆冰问题,进而影响装备的正常工作,严重时甚至危害人身财产安全。已有文献发现两电极沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)在除冰方面有潜在的应用前景,但仍存在温升小和效率低等问题。为有效提高SDBD表面温度和除冰效率,该文将一接地电极安装在高压电极同侧,构成三电极SDBD结构,研究三电极脉冲SDBD等离子体特性及除冰过程与效果。结果表明：在相同的放电条件下,与两电极脉冲SDBD相比,三电极脉冲SDBD在放电能量、表面温度、发射光谱强度和除冰效果等方面表现出更为优异的能力。在20kV脉冲电压作用下,13mm间隙的三电极SDBD比两电极SDBD的放电能量增加了约1.95倍,最高温度提高了8℃。数值模拟结果也进一步表明：通过脉冲快速加热,三电极SDBD温升范围广和热量空间分布均匀,在除冰方面有很大的潜力。研究结果可为脉冲放电等离子体除冰及相关应用提供参考。     

高压纳秒脉冲下介质阻挡放电的仿真研究

为研究ns脉冲高电压条件下介质阻挡放电的特性,在实验测量正极性ns脉冲介质阻挡放电电压、放电电流的基础上,根据脉冲介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的气隙电压、放电电流及功率等参数进行了计算。计算结果表明,气隙电压、电流均为双极性脉冲且放电瞬时功率呈现双峰,分析认为此双极性脉冲是由介质层累积电荷所致;阻挡介质材料、厚度和施加电压频率不同,正极性ns脉冲介质阻挡放电结果也不同;施加电压类型对介质阻挡放电影响很大,相比交流、单极性μs脉冲和单极性亚μs脉冲的介质阻挡放电,正极性ns脉冲介质阻挡放电的放电电流大很多。     

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电特性分析

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)是产生低温等离子体的重要方法,纳秒脉冲条件下DBD与普通交流下的放电不同。通过单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,计算纳秒脉冲DBD的电气参数,与交流或微秒脉冲放电的电气参数相比较,并对比放电图像与电流波形的关系,探讨了放电机制。研究结果表明,纳秒脉冲DBD的放电电流呈双极性,气隙上发生2次放电过程,其电气参数高于常规交流和微秒脉冲DBD的电气参数。随着空气间隙距离的增加,均匀放电向丝状放电的转化与电流脉冲波动相关。由于微放电持续时间与施加脉冲处于同一个数量级,且基本同时发生在气隙中,很难在同一位置上存在数个连续的微放电,这对放电的均匀性有利。     

纳秒脉冲介质阻挡放电特性及其聚合物材料表面改性

介绍了大气压空气下纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)的特性及其对聚酰亚胺(PI)材料表面进行的亲水性改善。利用单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,通过电气特性测量和发光图像拍摄研究了纳秒脉冲DBD的特性,获得了均匀模式的放电,并分析了气隙距离对放电特性和均匀性的影响。利用大气压下均匀放电改性PI薄膜表面,对改性前后的薄膜表面进行水接触角、表面形态和表面成分分析,并与丝状放电的改性效果进行了比较。结果表明单极性纳秒脉冲DBD电流呈双极性,放电电流、介质电压和瞬时功率等随气隙距离的增大而减小,窄间隙条件下易获得均匀放电。经DBD处理后PI表面粗糙度明显增加,静态水接触角明显减小,亲水性含氧基团被引入,从而改善了薄膜表面亲水性,且均匀放电比丝状放电处理效果更为显著。     

沿面型介质阻挡放电的数值仿真计算

沿面型介质阻挡放电因较平行板介质阻挡放电能产生均匀的较大面积等离子体层和在流动控制等新技术中的突出应用而得到学术界和应用界的广泛关注。为更好地研究和揭示沿面型介质阻挡放电的放电机理与演化规律,利用Comsol软件的等离子体模块对大气压空气中该放电进行二维数值模拟。考虑空气放电时O2-、N2-、O2+、电子等8种粒子及16种放电粒子化学反应,得到了放电过程中粒子浓度变化过程与放电空间的电场分布。分析讨论放电起始阶段电荷的运动情况后表明,电子在起始阶段主要受电场控制以漂移运动为主,其后在扩散和漂移的共同作用下分布范围不断扩大。验证分析放电的不对称性并与实验结果相对照后,指出正是由于表面电荷的积累导致了放电的不对称性。     

介质阻挡放电的放电过程仿真研究

为深入地理解介质阻挡放电(DBD)的放电机理和实现DBD等离子体的大规模工业应用,采用基于连续性方程和泊松方程的DBD模型仿真研究了大气压空气中DBD的放电过程,计算得到放电空间的电子密度、电场强度和电压电流随时间变化的规律,讨论了阻挡介质在DBD放电不同阶段的作用。仿真结果表明,DBD的微放电过程可分为电子崩、流注和放电熄灭3个连续的阶段。在电子崩和流注阶段间,阻挡介质主要起到加速流注形成的作用;而在放电熄灭阶段,阻挡介质主要起到限制放电电流的自由增长,从而阻止放电发展到电弧的作用。     

放电气隙对介质阻挡放电电学参量的影响

通过建立介质阻挡放电试验系统,采用Q-V Lissajous图形法研究了激励电压峰值VP-P、放电气隙lg对介质阻挡放电主要参量的影响。试验结果表明:增大VP-P、lg可提高介质阻挡放电的放电功率P;固定lg时,电介质层等效电容Cd随VP-P的增大而增大,放电间隙等效电容Cg随VP-P的增大而减小,VP-P对等效总电容C的影响不大;C、Cd、Cg均随lg增大而减小;电荷传输量Q、气隙等效电场强度Eg随VP-P的增大而升高,随lg的增大而降低。     

不同条件下介质阻挡放电的仿真与实验研究

建立基于电压控制电流源(voltage-controlled current source,CCS)的工频介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)动态仿真模型和实验装置,对空气中平板电极结构DBD进行仿真与实验研究。可通过分别计算仿真与实验得到的电压电流波形和电压电荷Lissajous图形得到DBD的电气参数,二者的定量比较验证了仿真模型的准确性,利用仿真模型和实验装置对不同外加电压幅值、阻挡介质厚度与介电常数条件下DBD功率的变化情况进行研究和定量比较,并从理论上对所得的仿真计算结果与实验测量结果的变化规律进行定性分析。研究结果表明,基于CCS的工频DBD动态仿真模型能够反映放电的真实情况,仿真计算所得到的不同条件下DBD的放电功率与实验测量所得到的值是吻合的,且两者的变化规律均与定性理论分析是一致的。     

介质阻隔面放电的结构参数

为提高介质阻隔面放电激励器的流动控制效果,采用漂移-扩散模型对9种电极结构的放电过程进行了数值计算,得到了随时间变化的放电空间电子数密度、电场、电极电流以及离子静电力,探索了等离子体放电的作用机理,研究了暴露电极、植入电极的宽度以及两个电极之间的间隙宽度对放电过程和放电效果的影响。结果表明,放电过程可能存在非线性作用,缩短暴露电极宽度、减小电极间隙能够提高放电效果,但电极最好不要重叠,电极间隙有一个最佳值;植入电极宽度存在最大值,超过该值会降低放电效果。计算结果与实验结果基本相符。     

介质阻挡放电电参数计算软件设计及应用

介质阻挡放电是产生低温等离子体的一种重要方法,其应用近年来受到关注。笔者基于介质阻挡放电中经常测量的电压和电流,设计用于介质阻挡放电实验的人机界面,有利在不同的外电压波形、阻挡介质参数、间隙距离等条件下的大量实验数据的分析和计算,得到介质阻挡放电相关的气隙电压、电流及放电功率、电荷量等参数。最后利用交流和脉冲条件下介质阻挡放电的实验波形对其进行了测试。     

电源频率对介质阻挡放电参量影响的研究

建立了大气压空气中介质阻挡放电(DBD)的实验装置,研究了电源频率f对DBD放电参量的影响,并结合放电理论对实验结果进行分析,以期为DBD的实际工业应用提供参考。分析结果表明:随着电源频率的增加,放电参量如放电持续时间Δt、气隙等效电容Cg等非线性减小,单周期传输电荷量ΔQ、介质等效电容Cd、放电功率P、放电电流幅值If以及容性电流幅值Ir等非线性增加。     

基于SIMULINK的介质阻挡放电的仿真

为了深入地理解DBD的放电机理和优化DBD等离子体反应器的设计,在分析DBD微放电过程和等效电路的基础上,建立了基于SIMULINK的DBD动态仿真模型。为了更真实地反映DBD的放电情况,模型中采用一个电压控制电流源(CCS)来模拟DBD的微放电,同时考虑到了微放电的起止及幅值衰减的影响。用所建立的模型对空气中DBD放电进行仿真,计算得到放电电流、气隙电压和李萨育图形等放电参量。仿真结果及分析表明,放电模型可以用来对DBD进行仿真研究,所得的结果能真实地反映DBD的放电情况。