伪火花放电初始发展过程的仿真研究

伪火花放电是一种引燃于空心阴极结构,主放电通道呈现弥散特征的特殊低气压放电,在脉冲放电开关、电子束源等方面具有重要应用。为研究伪火花放电的初始过程,文中采用粒子模拟和蒙特卡洛碰撞方法(particle in cell/Monte Carlo collision, PIC/MCC),建立了与外回路元件相耦合的二维静电等离子体仿真模型。通过研究电子、离子、电势等参量的演变特征,区分出触发电子推进、汤逊放电、虚阳极形成和透入、空心阴极放电、电势陷阱形成、离子耗尽等一系列子阶段,并确认了到达阳极的电子包含高能和低能两个组分。此外,研究了气压和初始电子参数对触发时延和阳极电流峰值的影响规律。仿真结果表明:气压和初始电子参数通过作用于阴极孔附近的离子密度和阴极空腔内部的电子密度分别对触发时延和电子电流峰值产生影响;随着气压、注入电荷量、电子能量和注入时间的增大,以及触发极位置的前移,触发时延不断缩短;随着电子能量的增大和触发极位置的前移,电子电流峰值有可能减小;并且,各参数的变化规律均呈现出饱和趋势。最后,讨论了阴极孔附近的离子耗尽和空心阴极阶段电流淬灭的可能联系,以及外回路电感值和PIC方法对伪火花放电仿真结果的影响。     

电极间距对空腔阴极自脉冲放电影响的机制

为了进一步揭示空腔阴极自脉冲放电特性和机理,利用槽型空腔放电结构实验研究了阴极和阳极间距对自脉冲放电特性的影响。同时利用流体模型模拟研究了空腔阴极放电击穿阶段的微观动力学过程。结果表明,自脉冲放电过程中存在明显的负微分电阻现象,自脉冲频率随着平均电流的增加近似线性增加。阴极和阳极间距对自脉冲放电特性有一定影响。随着阴极和阳极间距的增加,极间平均电压和自脉冲频率增高,电流峰值减小,自脉冲电压峰值和最低值增高,自脉冲上升沿时间增长。电流最低值基本不随极间距的变化而变化。模拟结果表明,自脉冲放电为由位于孔口位置处的低电流、低电子密度、轴向电场为主放电模式,向孔内放电为主、较高电子密度、径向电场为主放电模式的周期性转换过程。空腔阴极自脉冲放电为净正空间电荷层或者说是虚拟阳极由孔外向孔内再移到孔外,强度先增强后减弱再增强的一个反复过程。阴极和阳极间距越小,阳极对腔内放电影响越明显,腔内放电更强烈,电流峰值越高。另外,研究结果表明,放电单元的等效电阻值主要由放电空间电子密度决定:电子密度越高,等效电阻越低。     

大气压氩气介质阻挡放电等离子体特性变化的一维仿真

针对平行平板型大气压氩气介质阻挡放电(DBD),考虑等离子体中电子能量的贡献,建立了一维多粒子流体模型。通过对模型的求解,详细分析了频率为10 k Hz、幅值为1.5k V正弦电压驱动放电的变化过程,包括放电等离子体中各特性参数,如电子数密度、亚稳态氩原子数密度、放电间隙电位和电子温度等的时空变化过程。结果发现:放电模式从Townsend放电转变为稳定的辉光放电,在辉光放电阶段,放电间隙存在明显的阴极位降区、阴极辉区、Faraday暗区和正柱区等特征区域,且电子能量在不同的放电阶段有着不同的能量损失渠道。与此同时,探讨了固定驱动频率为10 k Hz,不同电压幅值的情况下,放电等离子体的粒子特性参数及放电模式。结果表明:电压从1.5 k V提高到3.5 k V时,最高电子温度、电子数密度、正离子数密度和亚稳态氩原子数密度均有所提高;简单分析了2.5 k V电压,不同频率下的电流波形和各种粒子在电流脉冲峰值处的空间分布,发现50 k Hz和100 k Hz的情况下,放电间隙阳极出现了阳极辉区;第一个电流脉冲峰值时刻,放电正柱区覆盖了Faraday暗区,而第二个宽电流脉冲时刻,法拉第暗区又重新出现。     

径向放电的等离子体阴极脉冲电子束实验研究

本文研究和设计了静电聚焦型的径向放电真空电弧等离子体阴极脉冲电子束源。在分析轴向放电的真空电弧等离子体阴极稳定性的基础上,改进结构,设计了径向放电的真空电弧等离子体阴极,由于表面比较狭窄,产生真空电弧后,阴极斑点的高速移动也都位于直径小于2mm的环形阴极内表面上,从而使得电子发射效率较为稳定。并以此为发射阴极,设计径向放电结构的空心阳极等离子体阴极电子束源,该电子束源为无磁场引导的皮尔斯型电子束源,其主要由等离子体阴极和静电聚焦系统两部分组成。实验测量过程中,采用法拉第筒测量了电子束的相关参数,得到比较稳定的脉冲电子束。     

基于ANSYS的空气电弧放电等离子体温度数值模拟

吸入一氧化氮(NO)疗法因其具有疗效快、非创伤性及高选择性等优点,在临床救治新生儿急性肺损伤和持续肺动脉高压等相关疾病方面逐步得到广泛应用.电弧放电是产生NO的一种新方法.因此,研究控制空气电弧放电合成NO的等离子体参数,对实现电弧放电合成医用NO在临床上的应用具有重要意义.本文根据磁流体动力学理论,建立了脉冲电弧放电等离子体轴对称数学模型,运用ANSYS软件,对电弧放电等离子体温度场分布和电流密度进行了数值模拟.结果表明,当电流增大时,阳极附近温度增大,阳极电流密度增大;当弧长增加时,阳极附近温度增大,阳极表面电流密度增大,阴极电流密度略变小.温度的升高,有利于NO的合成及抑制NO2的生成.     

新颖的高气压微放电结构的研究

介绍了微空心阴极放电(MHCD)的特点,根据MHCD的基本结构给出了一种“平面阴极-微空心阳极”放电结构,并在该基础上设计了一种新的放电结构:它的阳极为“金属针,”它的阴极由“平面阴极-微空心阳极放电”构成,整个系统构成一个“针-孔”自持的辉光放电。主要进行了空气放电实验,单个“平面阴极-微空心阳极放电”能够在大气压下产生稳定的直流辉光放电,多个“平面阴极-微空心阳极放电”能够在高气压下稳定地并联运行,而不需要个体镇流电阻,它们的伏安特性曲线在整个放电区域都具有正的微分电阻特性。“针-孔”自持的辉光放电也能够在高气压下产生大体积辉光放电空气等离子体,等离子体的电子密度估计在1011～1012cm-3之间,测得的伏安特性曲线在整个放电区域也具有正的微分电阻特性。它产生的高气压大体积高电流密度辉光放电等离子体,能够应用于工业上的多种等离子体加工中,也能够用作Pseudospark高压开关的触发设备。     

水中脉冲放电电压波形特性分析

以冲击电压发生器波形和参数的计算模型为基础,研究了水中脉冲放电时的冲击放电电路模型,采用拉氏变换方法列出此电路方程,分析了电压波形特性,得出波前电阻数值越大电压波形峰值越低、上升越平缓,波前时间越长;波尾电阻数值越低则电压波形峰值越高,半峰值时间越长。同时对水中脉冲放电形成等离子体通道等效放电回路电压与电流振荡波形作了研究,放电过程中电路发生RLC振荡,电压初始值为30k V,电流峰值为1.5k A,水中放电等离子体通道电阻随时间变化,它不仅与电极间距离有关,而且与电容器的电容量C及初始电压值均有关。经过几个衰减振荡周期后,电阻值迅速增大,电流趋于零。计算和仿真相结合,有一定的参考意义。     

空心阳极等离子体阴极提取电子束的实验分析

低气压下真空电弧放电产生高电子密度的等离子体,从等离子体中能提取电子束。为了研究一种新型空心阳极-等离子体阴极结构的放电机理,在相同电压和阴阳极间隙下,对新型结构与两平板电极结构进行电弧放电实验,通过测量阴极电压、放电回路电流以及收集极电流来比较两者的特点。结果表明:前者的阴极电位波形在放电开始之后明显低于两平板电极的阴极电位波形,存在明显的电位下垂现象;同时收集极电流在放电回路电流不大时呈现出只有负半波情况。从真空电弧放电机理具体分析解释了收集极电流呈半波的原因,同时采用等效电路模型和等效电位函数对阴极电位下垂做了详细的分析,认为是阳极附近聚集大量电子,因此有未被补偿的负空间电荷,形成电位梯度较大的阻极电位降,电弧等离子体近似为电中性,导致阴极电位下降。     

含二氧化钛的脉冲气液放电特性及降解四环素研究

利用光催化剂耦合气液放电等离子体可以有效提高水中有机污染物的降解效率,而催化剂添加会影响放电特性进而影响等离子体的应用效果。为了探究TiO₂添加对气液放电特性的影响,该文采用脉冲电源激励大气压空气中的气液放电,通过电学和光学诊断研究含TiO₂和未添加TiO₂的放电特性及等离子体特性,并利用紫外可见分光光度计检测溶液中活性粒子浓度及四环素去除率,讨论TiO₂光催化对放电特性及其降解四环素的影响机制。结果表明,含TiO₂条件下,脉冲持续时间内的峰值电流较未添加TiO₂时有所增大,且电流增大幅度随着电压的增大而增大,当电压为10kV时,TiO₂的添加使峰值电流增强了2.8倍。含TiO₂条件下的发光强度、N2(C-B)、Hα和O(3p-3s)的光谱强度与溶液中活性粒子浓度相比于未添加TiO₂时也明显增强,在电压10kV和频率1kHz时,添加TiO₂后H2O2浓度增大了7倍。此外...     

大气压液体阴极等离子体的电学特性

大气压液体电极放电是近年来兴起的一种产生大气压等离子体的新方法,此方法因为结构简单、成本低廉、操作方便等优点而具有广泛的应用前景。为此,采用水平面为放电阴极、金属棒为放电阳极,产生了大气压辉光放电等离子体;试验测量了放电等离子体的伏安特性,表明放电发生在反常辉光放电模式,在40～100mA范围内,随着放电电流的增加,放...     

大电流真空电弧磁流体动力学模型与仿真

为了对大电流真空电弧进行深入研究,以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础,通过计算流体动力学软件FLUENT,采用控制容积法,对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。对于大电流真空电弧而言,等离子体的流动处于亚音速状态,因此,在阴极和阳极边界条件的选择上将区别于超音速流动的真空电弧。同时对等离子体密度、轴向电流密度、等离子体速度、马赫数、离子温度、电子温度、离子压力、等离子体压力以及注入阳极的能流密度分布的形成机理进行了分析。从仿真结果可以发现,大电流真空电弧等离子体压力的最大值出现在阴极附近,等离子体将在压力梯度的作用下从阴极到阳极做加速运动,这一点明显区别于超音速流动的真空电弧。另外,仿真结果与高速CCD照片也是吻合的。     

大气压液体阴极等离子体中O原子和OH自由基的特性

为更好地理解液体阴极放电等离子体的性质,建立了一种基于液体阴极放电的大气压等离子体的发生装置。测量了200~900 nm光谱范围内的发射光谱,观察到了强度较高的波长为656.8 nm的Hα谱线、波长在309 nm附近的OH(A-X)谱带、在337 nm附近的N2(C-B)谱带,以及强度较弱的波长为777.2 nm和844.6 nm的O原子谱线。并对这些激发物种的激发过程进行了说明,分析了等离子体光谱中含氧活性粒子(OH和O)的空间分布,计算了放电空间中不同位置的电子激发温度。研究表明,含氧活性粒子数目在液体阴极和金属阳极附近均有1个峰值;单一O谱线的2个峰值强度和单一峰值的2条O谱线的谱线强度均呈现交替变化的现象;OH谱线的谱线强度远大于2条O谱线,2者最大值相差2个数量级;靠近阴极区区域的电子激发温度较低,而正柱区区域的电子激发温度较高。     

等离子体气动激励系统电特性的实验研究

为了研究大尺度等离子体激励器和调整电源电感、电容的情况,笔者对等离子体气动激励系统的电特性进行了实验研究,得出等离子体气动激励系统的电感和电容是影响电特性的关键因素。实验结果表明,一定的电源输入电压下,减小电源电感或串联电容分压器,等离子体气动激励系统的谐振频率、电源输入电流和放电电流增大,等离子体气动激励器的放电电压基本保持不变;随着电源频率的增大,等离子体气动激励系统放电有3个典型的方式,电源频率小于谐振频率时,放电电流波形有突变;随着电源频率增大,激励系统的感性不断增大,放电电流增大,电流突变消失;电源频率大于谐振频率后,电容将电压的高次谐波滤掉,放电电流减小。     

水中脉冲放电电极的烧蚀特性

为研究水中大功率脉冲放电电极的烧蚀特性,研制了基于液电效应、脉冲功率、频谱共振理论的页岩储层改善装置,该装置最高脉冲电压为30 kV,最大脉冲频率为50 Hz,充分满足页岩储层共振需求。利用COMSOL有限元仿真软件求解装置水中二维轴对称的放电模型,得到剧烈放电阶段水间隙的温度场分布变化特性,以及电极表面的温度分布特性和烧蚀特性。模拟结果表明:剧烈放电初始阶段阳极温度更高,并呈现钟形向阴极快速发展;剧烈放电尾声,阴极附近的温度更高;放电结束后,电极表面温度最高点呈现出与电极同圆心的圆环状,越靠近圆环,电极表面温度越高;放电结束后阳极的熔池半径为阴极的1.45倍,阳极的熔池深度为阴极的2.25倍,导致阳极烧蚀程度比阴极严重,该结论与试验结果相符;并通过仿真得到了不同电极间隙距离、不同水压工况对电极烧蚀程度的影响。     

大气压He/O2等离子体活性粒子在水溶液中传质的氧含量效应

大气压低温等离子体作用于生物组织要穿过其表面几十到几百微米厚的水溶液，将会涉及等离子体中活性粒子在水溶液中的传质，而活性粒子的生成与放电气体的氧含量密切相关。该文基于一维流体模型，研究了在放电气体中不同的氧含量下(体积分数为0.1%～5%)大气压He/O₂等离子体中五种主要活性粒子H₂O₂、O₂^-、HO₂、O₃及OH在水溶液中的渗透深度分布，并阐释了相关机理。研究表明，氧含量对活性粒子的生成与消耗反应产生较大影响，进而影响到活性粒子在水溶液中的渗透深度。随着氧含量的增加，H₂O₂、O₂^-和HO₂的渗透深度减小，但仍维持在数百微米以上的可观量值，而O₃和OH的渗透深度增加，并可达20μm以上，这一深度使得两种粒子可以直接作用到某些生物组织，因而对于等离子体的生物医学应用具有重要意义。     

大气压射频辉光放电阻抗特性的实验研究

为研究大气压射频辉光放电过程中不同工作气体(氦气和氩气)对发生器等效阻抗的影响,基于等离子体的介电特性,建立了描述等离子体区域的"电阻-电容混联"等效电路模型;通过实验测量放电电压及电流,并基于等效电路模型来计算等离子体在放电过程中的电子数密度,从而得到等离子体发生器的等效阻抗。实验测量了大气压射频辉光放电的放电电压及电流,并基于等效电路模型得到了等离子体发生器的等效阻抗及放电区的电子数密度。实验结果表明:对氦气和氩气放电,在α放电模式下其电阻及电抗的绝对值均随着放电电流的增加而减小,而电子数密度则随放电电流的增大而线性增加;且在相同的放电电流条件下,氩等离子体的电阻和电容都比氦等离子体高。研究结论可作为等离子体在不同工作气体条件下放电阻抗匹配研究的参考。     

大气压微等离子体放电特性研究

通过减小电极孔径到微米量级来实现高气压甚至大气压放电的现象已成为研究热点。笔者利用不锈钢空心针作为放电阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压微等离子体放电实验研究。实验测量了大气压微放电的伏安特性曲线。实验发现,大气压直流微放电存在不同的放电模式:空心阴极放电和反常辉光放电,随着电流的增加,放电越来越强烈。实验研究了放电电压随压强和气体流量的变化关系。结果显示,随着体系压强的增加,电离过程增多,放电电压逐渐降低。随着流量的增加,气体流动状态由层流状态逐渐过渡到紊流状态,引起放电电压先降低后增加。     

直接甲醇燃料电池膜电极性能衰减分析

分析了“自呼吸式”直接甲醇燃料电池膜电极性能衰减的因素及其影响程度.通过对膜电极进行2 000 h恒电流(25 mA/cm2)放电,对比了放电前后的极化曲线、交流阻抗谱及电化学活性面积.恒电流放电后,膜电极的最大功率密度从初始的29.1 mW/cm2下降到21.8 mW/cm2,开路电压基本不变;交流阻抗谱定量分析表明,阴极的电阻明显大于阳极,并且对膜电极性能衰减的影响程度是:阴极＞＞阳极＞质子交换膜;循环伏安测试显示阴极催化剂电化学活性面积的衰减为21％,明显大于阳极催化剂的衰减2％.     

沿面/体介质阻挡放电装置的放电及臭氧生成特性

相对于体介质阻挡放电(VDBD),沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体可以更高效地生成反应活性物质,在气体处理方面显示了较高的效率。但沿面放电仅沿介质表面发展,限制了放电等离子体装置处理气体的能力。文中设计了一种新型的沿面/体复合DBD装置,通过在垂直于沿面放电高压电极的上部增加体放电电极,用于扩展等离子体的空间分布并提高活性物质的产量,研究了电极构型、放电气隙、放电电压及气体体积流量等对装置的放电特性及臭氧生成的影响。在空气间隙为4.5mm,外加电压幅值为16kV时,SDBD放电功率为11.2W,VDBD放电功率为4.6 W,复合装置的放电功率为19.7 W;分别测量复合装置中的沿面放电和体放电功率发现,复合装置的沿面放电功较单一沿面放电装置的放电功率提高了1.1倍,而复合装置的体放电功率较单一体放电功率提高了1.9倍。臭氧测试结果表明,复合装置生成的臭氧质量浓度可达3.0 mg/L,分别是SDBD和VDBD的3.8倍和5.0倍。     

基于毛细管放电的大气压等离子体射流喷射装置放电特性

为满足更长间隙距离、更高电压等级气体开关在较低工作系数下的可靠触发,设计了一种基于毛细管放电的大气压等离子体射流喷射装置,即两间隙毛细管等离子体喷射装置(two gap capillary,TGC)。通过引入中间电极将毛细管通道分为触发通道和主通道,借助触发通道在放电初始时的弱毛细管放电引燃主通道的放电,实现了重复放电。等离子体射流在触发后的169μs时达到了11 cm左右。主通道电弧电阻呈现"U型"分布,电阻值开始时随主通道电弧电流的增长快速减小,最低时不到200 m?,而后随着电流的跌落快速增加。同时,主通道电弧电阻值在电流增长时要高于电流跌落时,这一差异在流过主通道电弧电流较小时十分明显,而后随着电流幅值的增加逐渐减小。由于没有传统放电结构金属丝电爆的过程,电容器所储能量主要释放于喷射装置主通道,主通道电弧能量沉积效率几乎是传统放电结构的2倍,达到了62.7%。喷射装置寿命大概在300次左右,使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄触发通道表面,发现喷射装置TGC中间电极的烧蚀和触发通道的碳化是影响TGC寿命的关键因素,对TGC的寿命优化设计还需做进一步的努力。