基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

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。     

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。     

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究

为了实现大气压空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电(DBD),利用上升沿15ns,半高宽30～40ns的正极性纳秒脉冲激发DBD,并由电压电流和放电图像研究DBD的特性,分析均匀放电实现的条件和特征。实验结果表明放电电流呈双极性,且电气参数要比交流及微秒脉冲DBD的高,在一定条件下可获得均匀模式放电。通过重复频率和气隙距离对放电均匀性的影响研究发现,2mm空气间隙中,双层介质阻挡时重复频率对放电均匀性影响不明显,但当间隙距离从2～8mm延长时,放电明显由均匀模式向丝状模式过渡。此外,对纳秒脉冲DBD放电均匀性与施加脉冲上升沿的关系进行了探讨。     

常压下重频纳秒脉冲气体放电试验研究

气体介质在重频(PRF)纳秒脉冲作用下的绝缘特性是高重频脉冲功率技术研发的基础。采用SPG200重频纳秒脉冲电源，通过测量常压空气介质间隙(5、10、15、20mm)，在不同重复频率(1、10、100、500、1000Hz)、不同电压幅值(60、80、100kV)作用下的击穿电压、电流、击穿延时及耐受时间，研究了空气的绝缘特性。结果显示重频脉冲常压下空气的击穿场强比单次脉冲时低得多；随击穿场强的增大，击穿时延、重频耐受时间均有减小的趋势，高PRF时减小趋缓。低PRF下的放电发展过程与单次时的放电发展过程差别不大，而与高PRF下的不同。最后对纳秒脉冲下击穿时延及放电机理等进行了一些讨论。     

微秒和纳秒脉冲激励下甲烷DBD电学特性研究

利用等离子体技术可以裂解甲烷,产生C2烃和氢气等具有更高价值的物质。对等离子体放电参数优化以提高甲烷等离子体转化效率具有重要意义。文中基于同轴DBD反应装置,在自主研制的微秒和纳秒脉冲电源的激励下,改变电源参数和气体流速,研究了甲烷裂解过程中不同参数下初始击穿电压的变化规律、放电图像、Lissajous图形以及单脉冲内的能量和功率,为甲烷转化提供参考。实验结果表明,两台电源作用下气体初始击穿电压均随脉冲重复频率的增加而下降,但纳秒源作用时该趋势更明显;放电强度均随脉冲重复频率增加而加强,相同参数下,微秒源作用时放电更强;施加电压一定时,不同脉冲重复频率以及不同气体流速下Lissajous图形形状几乎一致,微秒源作用时的图形更接近典型的平行四边形;气体流速和脉冲重复频率相同时,两台电源单脉冲内放电能量与所加电压几乎成直线关系变化,气体流速和施加电压相同时,单脉冲内放电能量几乎不受脉冲重复频率的影响,但是纳秒源可以得到更高的瞬时功率。实验表明,脉冲电源可以作用于DBD反应器用于转化甲烷,纳秒源作用时系统的效率比微秒源更高。     

基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲源的研究

为可靠驱动重复频率纳秒脉冲放电,研究设计了一款基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲电源,可输出幅值可变,脉宽数十至数百纳秒的准方波脉冲。在本研究的实验条件下,输出脉冲的最高有效工作频率可超过1.5k Hz。该电源采用脉冲形成线原理产生高电压纳秒脉冲,开关采用同轴结构的吹气式自击穿气体开关,风机吹气用于加快气体开关的绝缘恢复速度,进而提高气体开关的极限工作频率。实验结果表明:在不加吹气风机时,气体开关绝缘恢复情况较差,存在多次低电压击穿过程,故脉冲形成线越短,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限越低;使用吹气风机后,开关的多次低电压击穿现象在一定程度上被抑制,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限随脉冲形成线长度的缩短而增大;且风机风速越快,气体开关绝缘恢复越好,纳秒脉冲电源的有效工作频率越高。最后用此重复频率纳秒脉冲电源成功驱动了平行板结构的介质阻挡放电模块。     

纳秒脉冲电源驱动提高KrCl^＊准分子灯辐射效率的实验研究

针对目前准分子灯效率偏低的现状,为了从电源角度提高准分子灯紫外辐射的效率,本文对电源驱动类型（正弦/脉冲）以及脉冲电源参数（极性、电压幅值、频率）对介质阻挡放电激发准分子KrCl＊（222nm）紫外辐射的影响进行了实验研究。实验结果表明：脉冲驱动比正弦电压驱动紫外辐射的效率提升86.5%;电源的极性对灯的工作特性没有显著的影响,单向负脉冲效果略好些;随着电源电压幅值的增加,准分子灯紫外辐射强度增加,但紫外辐射效率下降;频率升高,准分子灯紫外辐射强度提高,效率随频率变化不明显。本文还对实验结果作了简要分析和理论解释。     

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...     

纳秒脉冲表面滑闪放电的电气和光学特性

为了研究纳秒脉冲表面滑闪放电特性,本文采用一种新型三电极结构的激励器,通过纳秒脉冲叠加负直流的混合激励模式产生表面滑闪放电。实验研究了电压脉冲分量、电压直流分量及两者的差值对纳秒脉冲表面滑闪放电特性的影响。实验结果表明,当脉冲电压幅值固定时,直流电压幅值的改变对脉冲侧电流的影响较小,但对直流源侧电流却影响显著,直流源侧电流随直流电压幅值的增加而增加,发生表面滑闪放电后峰值和速度均增加。直流电压幅值越大,直流源侧电流出现时刻越早。当直流电压幅值固定时,脉冲侧电流和直流源侧电流均随着脉冲电压幅值的增加而增加。实验中存在一个电压阈值(脉冲分量和直流分量电压差值)使纳秒脉冲表面滑闪放电发生,该阈值为22k V。此时发生表面滑闪放电,瞬时功率峰值、单脉冲能量峰值和稳态能量均迅速增加。脉冲直流电压差值相同时,脉冲分量主导脉冲侧电流的大小,直流分量主导直流源侧电流的大小,脉冲分量所占比例的大小对功率和能量损耗的影响较大。此外,利用数码相机拍摄放电图像研究了纳秒脉冲表面滑闪放电的光学特性,放电图像表明,在电极间施加合理的脉冲电压和负直流电压均可产生表面滑闪放电,实现等离子体的拉伸效果,在阻挡介质表面获得大面积的等离子体。     

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。     

微间隙大气压空气介质阻挡放电模式的转化

大气压空气中介质阻挡均匀放电产生的等离子体在工业领域具有广阔的应用前景。为研究这种放电的产生条件及机理,利用微间隙介质阻挡放电装置,通过测量放电参数和发射光谱,研究了放电模式的转化过程。结果表明:低电压时电流波形每半个周期存在若干个脉冲宽度很小的脉冲,为微放电丝模式;随着电压增加,电流每半个周期出现了一个宽度较大(约5.5μs)强度较强的脉冲,该较宽电流脉冲上随机叠加了宽度小(约100 ns)强度弱的小脉冲;外加电压峰值达到9.2 kV时,电流波形只存在该较宽放电脉冲,为均匀放电模式。放电发射光谱的研究表明:外加电压增加时谱线强度比降低,即高能电子比例减小。这说明随外加电压增加,微气隙中的放电电场强度是降低的。     

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。     

不同介质条件下大气压脉冲放电特性的数值仿真研究

大气压脉冲介质阻挡放电由于其独特的放电特性引起了人们极大的关注。为了深入理解外加放电参数对脉冲放电特性的影响,通过理论分析与数值模拟的方法,基于大气压等离子体的一维流体描述,定性研究了在给定电压波形的情况下介质类型、介质厚度、气体间隙、放电频率对大气压脉冲介质阻挡放电特性的影响,并与相关的实验结果进行了对比。仿真结果表明:在其他参数不变的情况下,随着介电常数的增加,放电电流与最大气体电压均变大,同时输入能量增加并可以输送更多的电荷;随着介质厚度的增加,放电电流幅值降低,同时脉宽变窄,输运的电荷量降低;随着气隙距离的增大,放电电流密度逐渐下降,击穿时刻出现延迟;随着频率的增加,放电电流降低,同时需要输入能量增加。本文的研究将对大气压脉冲放电应用中放电参数的选择提供一定的理论依据。     

大气压氖气介质阻挡放电研究

为了加深对大气压氖气介质阻挡放电特性的认识,使用电特性测量、高速摄影的手段研究了平板结构大气压氖气介质阻挡放电的击穿电压、放电模式及其演化过程等。实验结果表明,在2～8mm大气压氖气中可很容易地实现均匀放电,并且其放电模式为辉光放电。相比同样条件下的氦气放电,氖气放电的电流密度略小、电流脉冲的半高宽较大。同时测量并比较...     

大气压氮气介质阻挡均匀放电

为了比较深入地了解大气压氮气介质阻挡均匀放电的产生条件、放电属性和形成机理等,主要根据作者近期的实验结果,并结合一些他人的研究成果,对该均匀放电进行了综述。结果表明：即使在气流的帮助下,大气压氮气介质阻挡均匀放电也只能在≤3mm的短气隙内产生,它属于汤森放电,并且以一种反常的方式熄灭,即放电在气隙电压上升过程中熄灭;阻...     

常压介质阻挡放电的部分电学参量研究

用自制改进的介质阻挡放电连续处理纺织材料的装置 ,采用示波器李萨如图形测量放电功率 ,分析了常压等离子体放电的极板充电电流和放电功率等电学参量间的变化关系 ,研究结果表明 :放电间隙、工作气体成分和流量均会影响这些电学参量 ,当放电间隙 1.0～ 2 .5mm时 ,可产生最佳准辉光放电以利于材料表面改性处理     

大气压介质阻挡放电对聚丙烯隔膜表面改性的研究

为了提高聚丙烯电池隔膜亲水性,用大气压氦气/空气介质阻挡放电(DBD)等离子体对其表面改性。用示波器测量了DBD的伏安特性,通过蒸馏水的接触角测量、X射线光电子能谱(XPS)分析、扫描电子显微镜(SEM)观察等手段对大气压氦气/空气DBD等离子体处理前后聚丙烯隔膜表面性质进行表征,同时分析样品亲水性的时效性。实验结果表明,大气压DBD等离子体处理过后聚丙烯隔膜表面引入了含氧极性基团(如C-OH,C=O,HO-C=O等),使表面蒸馏水的接触角显著下降,样品表面亲水性显著提高。