基于Lissajous图形研究大气压氦气介质阻挡放电

利用高频高压电源,进行大气压氦气介质阻挡放电试验,测量了辉光和多脉冲辉光放电的Lissajous图形,分析各段图形代表的放电过程。研究表明:介质阻挡高频放电的Lissajous图形由外电压向气隙、介质充电的直线部分和气隙放电的曲线部分交替出现组成;交替(气隙放电)的次数取决于外加电压的幅值;随着直线出现次序加大,直线斜率逐渐增大;随着放电次数增加,曲线电荷阶跃百分比减小;随着外电压幅值增加,起始放电电压减小,甚至其极性发生改变。     

大气压介质阻挡辉光放电等效电容及对放电参数的影响

等效电容是研究大气压介质阻挡放电的基本参数。按定义式计算电容值由于没有考虑杂散电容以及外加电压参数的影响,用于计算介质阻挡放电参数不够准确。丝状放电规则的平行四边形Lissajous图,在一定假设条件下可计算介质阻挡放电的等效电容,但大气压辉光放电是不规则平行四边形。此外,计算放电参数必须用同一电压下的回路电流和等效电容,但是测量回路电流就无法同时测量Lissajous图形。为此,基于大气压氦气介质阻挡辉光放电试验测量的外加电压和回路电流,提出了该外加电压下Lissajous图形的计算方法。基于该图形,提出了大气压辉光放电时等效电容计算方法:简化法和分段法。根据计算结果,研究了等效电容对计算放电参数的影响。研究结果表明,计算法得到的Lissajous图形反映了放电过程;简化法比定义计算法得到的等效电容用于计算放电参数更接近真实放电过程,而分段法可用于探讨放电过程中瞬态等效电容的变化;等效电容对计算放电电压和电流影响很大。     

大气压下氦气介质阻挡辉光放电过程的Lissajous图形分析

为研究介质阻挡放电(DBD)过程中等效电容的变化情况,利用高频高压电源,进行了大气压氦气介质阻挡单脉冲和多脉冲辉光放电试验,利用外施电压、回路电流计算得到放电Lissajous图形,并与直接测量的Lissajous图形进行了对比。确定了放电电流波峰和波谷在Lissajous图形上的对应位置,计算了放电截止和放电进行阶段气隙和介质的等效电容,分析了等效电容变化的原因,并且探讨了放电的物理过程。结果表明:计算得到的Lissajous图形与测量所得的Lissajous图形一致;介质等效电容在放电截止阶段保持不变,但在放电进行阶段随电流脉冲变化而变化,并且在电流峰值处最大;放电物理过程主要受到外施电压和介质表面电荷量的变化速率影响。     

大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的形成条件

利用高频高压电源,进行大气压氦气介质阻挡放电试验,测量了单脉冲和多脉冲辉光放电的放电回路电流波形,分析了外加电压峰.峰值和频率、放电间隙对多脉冲辉光放电过程的影响,探讨了大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的形成条件.研究表明:多脉冲辉光放电的形成条件是较高的外加电压峰-峰值、较低的电源频率,其中较高的外加电压峰-峰值是产生多脉冲辉光放电的必要条件.     

大气压介质阻挡放电三种模式的电学特征

为了解大气压介质阻挡放电3种放电模式(丝状放电、辉光放电、伪辉光放电)的电学特征,利用10~50KHZ0、~20 KV电源在平板电极结构上实现3种放电模式,并通过放电图片、电压电流曲线、电压-电荷李萨如图形对各放电模式进行诊断和电学特征阐述。试验证实3种放电模式确实存在且可在一定条件下相互转化。     

大气压空气中同轴介质阻挡放电微放电特性

为了更好的利用和研究介质阻挡放电技术,探讨了研究较少的同轴介质阻挡等离子体反应器的放电特性。因该类反应器2个介质阻挡层结构不一致,导致微放电行为在高频高压电源的正弦波电压的正、负半周内特点不同。研究从其放电的等效电路模型,流注放电击穿机理,以及在大气压空气中的放电实验等方面进行。结果表明,大气压下放电间隙8mm反应器时,放电电流波形在外加电源电压的正负半周期内不对称;分别呈现出明显的“似辉光放电”和“丝状放电”特点,单个微放电电流脉冲宽度约50ns,与外加电源电压极性和频率无关。     

大气压氦气介质阻挡斑图放电与辉光放电的转换条件及其演化过程

为研究在大气压氦气中斑图放电与辉光放电的转换,利用高频高压电源进行了大气压氦气介质阻挡放电(DBD)试验。通过测量外加电压与回路电流随时间变化的波形,并利用增强型电荷耦合器件(intensified chargecoupled device,ICCD)相机同时拍摄电极侧面和底面的短时曝光放电图像,研究了斑图放电和辉光放电的放电模式以及2种放电模式的转换规律。研究结果显示:放电起始时放电空间出现斑图放电,每个斑图放电单元经历了由汤森放电向辉光放电的演化过程;放电起始后降低外加电压,可得到稳定的单脉冲辉光放电;升高外加电压,回路电流逐渐变成双脉冲,斑图放电单元面积变小,放电单元数增多,放电逐渐均匀;外加电压升高到回路电流变为3脉冲及以上时放电转化为多脉冲辉光放电。以上结果证明:单个回路电流波形不能用来判断放电的均匀性;随着外加电压的升高,斑图放电向辉光放电的转换过程实质上是局部辉光放电向整体辉光放电的演化过程。     

降低放电电场形成大气辉光放电的研究

试验研究了低电场下大气压2mm空气流动间隙的介质阻挡放电特性,结果表明,同时采用空气流动和触发技术能触发低电压(≥0.65Ue)放电,空气流动能维持低电压(≥0.83Ue)均匀放电;在空气流动的作用下,大气压2mm空气间隙的丝状放电可转化为均匀的辉光放电。最后探讨了空气流动形成大气压辉光放电的机理。     

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...     

介质阻挡放电及其应用

为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。首先提出了只有拍摄曝光时间为10 ns左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用—大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。     

亚大气压介质阻挡辉光放电的特性研究

亚大气压强下的均匀辉光放电,有可能成为无汞荧光灯。它在材料表面改性、灭菌等领域也有广阔的应用前景。利用水电极在真空玻璃箱内的亚大气压条件下实现了介质阻挡均匀辉光放电。电流波形与放电均匀性没有必然的关系,周期性出现的单电流脉冲无法作为高频下均匀放电的普适性判据。测量了不同气压下氩放电的发射光谱,发现高气压下由于下能级的吸收增加,氩750～850nm的部分谱线强度反而降低。分析了放电照片的灰度均匀性,认为它可以作为判断均匀放电的定量参数。气压越高,越不容易实现均匀放电。气体的均匀放电的气压上限分别是Ar（760 Torr）,Ar-O2（600 Torr）,N2（525 Torr）,N2-O2（375 Torr）,空气（300 Torr）。电负性的O2和H2O会吸附自由电子,将提惯击穿电压,影响放电的均匀性。     

大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的光学演化过程

为研究大气压介质阻挡多脉冲辉光放电的模式转化规律及其放电机理,在6mm氦气中进行了3脉冲辉光放电试验,测量了相应的电气参数,并利用增强型电子耦合器件(intensified charge-coupled device,ICCD)拍摄了放电间隙侧面的短时曝光图像,提取放电图像的灰度值并绘制出光强在气隙间的分布曲线,按放电图像特征将放电分成不同阶段,系统研究了各个阶段的放电模式及其转化规律,并探讨了放电的机理。结果表明:放电起始阶段具有汤森放电的阳极发光结构;空间电荷的作用使得放电从开始的汤森放电转化为具有完整的正柱区、法拉第暗区和负辉区的辉光放电;放电电流脉冲之间微弱的发光特性仍具有辉光放电结构,有力证明了放电并未熄灭,而是维持着较弱的辉光放电。     

大气压反常辉光放电特性

为研究大气压反常辉光放电的特性,用50 Hz交流电驱动1:500的高压变压器产生稳定的大气反常辉光放电,并利用示波器对其作了测量。维持稳态放电的典型参数为电压400~850 V,电流60~110 mA,其伏安特性曲线表明放电处于反常辉光区。当放电的原始驱动电动势取为余弦波形时,放电端电压呈方波形,放电电流呈正弦波形。对放电过程的电路分析表明,高压变压器次级线圈固有的高感抗产生的负反馈避免了放电进入弧光区,由于电路的感抗特性,余弦电动势驱动了正弦形放电电流。而等离子体电阻对放电电流的非线性响应使得放电端电压呈近似方波形。估算得到放电通道中电子平均温度和电子密度分别为2.73 eV和3.45μm-3。用热电偶测得等离子气体温度为700~900 K。该种等离子体相对于其它冷等离子体具有较高的等离子体气体温度和能量密度,更适宜于一些化学气相反应。     

Generation and characterization of optical emission in highly repetitive pulsed‐glow discharges in air

To analyze atmospheric‐pressure transient glow microdischarges powered by a fast high‐voltage pulse train generated by a nonlinear transmission line generator, we conducted a simulation experiment using double rectangular pulsed voltages having variable pulse intervals. The discharges were characterized by optical emission spectro‐scopy. Although the temporal evolution of the spectral line intensities of nitrogen molecules and ions followed the discharge current, the atomic helium line intensity did not follow the current. The development of a discharge at the interface between a helium gas flow column and the surrounding air affects the observed evolution of the spectral lines. The strong effect of metastable helium was confirmed. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 180(2): 17–23, 2012; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21223     

大气压氦气介质阻挡放电的二维演化过程

为了研究大气压氦气的介质阻挡放电机理,利用像增强高速相机(ICCD),以20ns曝光时间,拍摄了多组时序发展的时空分辨放电图像,揭示了放电形式由汤森放电向辉光放电的演化。所测阴极位降区厚度0.4mm,应属亚辉光放电类型,而底面拍摄的图像则揭示了放电径向发展的过程。将放电图像转化为可视性更强的三维图像后,发现放电由覆盖整个电极的微弱汤森放电起始,在场强略高的中心处率先发展,并迅速向外扩散。     

气体放电对金属平板强化传热作用的研究

文中对比研究了电晕、介质阻挡以及辉光放电对空气-金属之间对流传热系数的影响作用。通过对加热器功率以及铜板电极温度测量，计算获得在自然对流以及电极间发生放电两种情况下对流传热系数。在气体放电强化传热的作用下对流传热系数获得数倍的增加。在直流电晕放电实验中，当均匀的直流辉光放电产生时，空气-金属之间传热速率获得最大幅度的提高。采用介质阻挡放电在提高空气-金属之间传热速率的同时，放电间隙击穿电压发生显著提高，也使放电在实际应用中更易于控制。     

辉光放电光谱仪用高稳定度高压恒流源的研制

直流辉光放电等离子体激发光源工作时需要0.5～1.5 kV的高电压以及5～100 mA恒定可控的电流。放电电流的稳定性对辉光放电光源的稳定工作至关重要,为此,研制了一种用于辉光放电光谱仪的高稳定度高压恒流源。该恒流源用于驱动Grimm型辉光放电光源对样品进行溅射和光谱激发,恒流源采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和高精度低漂移运算放大器,结合电路图介绍了其工作原理及过压、过流、过热保护措施。经实验验证,恒流源输出开路电压为1.1 kV,输出电流为0～100 mA连续可调,该恒流源的输出电流稳定性高,保证了辉光放电光谱仪样品成分分析的精密度,其负载调整率和输入电压调整率均0.05%;此恒流源驱动Grimm型辉光放电等离子体激发光源对金属样品溅射效果良好,给出了溅射坑表面形貌图以及显微照片、溅射速率。对GBSA6800x不锈钢标样中的Cr、Cu、Al、W元素测试结果相对标准偏差(RSD)2.5%。     

等离子体表面处理与大气压下的辉光放电

与传统的方法相比,等离子体处理的高效、无毒、节能特性使得它在表面处理和灭菌消毒方面有着很好的应用前景,在上述工业领域,“经典”的大气压放电诸如电晕放电、介质阻挡放电以及电弧放电都不适用。然而,尽管低气压下的辉光放电已得到了很好的发展,大气压下辉光放电的实现还存在一些困难。目前,对大气压下辉光放电物理过程的探索集中在其物理机制、图像捕获以及大气压下空气中辉光放电的实现方面。