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。     

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。     

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。     

纳秒脉冲激励的表面介质阻挡放电中表面电离波传播特性

表面介质阻挡放电(SDBD)激励器在等离子体主动流动控制中应用广泛,其表面电离波(SIW)传播特性是优化激励器控制效果的重要参数之一。该文分别以聚四氟乙烯(PTFE)和环氧树脂(ER)为介质材料,制作了多地电极阵列结构的表面介质阻挡放电激励器,采用纳秒高压脉冲电源作为激励源,对表面介质阻挡放电中的表面电离波传播特性进行了实验研究。实验结果表明,在脉冲电压的上升沿发生了两次击穿,形成放电通道,分别为初级电离波和次级电离波。在电流曲线上表现为有两个峰值,第一个电流峰值指示初级电离波,第二个电流峰值指示次级电离波。对不同位置处的电流曲线进行积分得到其电荷分布与演化,发现靠近高压电极处的电荷消散的较快,远离高压电极处的电荷消散的较慢,且聚四氟乙烯介质在放电后有明显的电荷残余,而环氧树脂介质电荷残余不明显。此外,研究了外加电压幅值和重复频率对SIW传播特性的影响,结果表明,当保持电压幅值不变(14kV),在100～1 000Hz范围内,脉冲重复频率越高,SIW的电流衰减速率越快,而SIW传播速度变化不大。保持重复频率不变(500Hz),在8～17kV范围内,脉冲电压幅值对SIW的电流衰减速率基本没有影响,但是SIW的传播速度随着脉冲电压幅值的增大而增加。该研究结果有助于SDBD激励器的放电参数优化。     

多相纳秒脉冲放电协同二氧化钛系统对大肠杆菌的灭活

基于压舱水处理技术的研究,利用多相纳秒脉冲放电协同二氧化钛(Ti O2)系统产生的强氧化性活性物质、冲击波、紫外光和强电场等对污水中的有害微生物进行有效灭活。实验中以大肠杆菌为目标灭菌物,通过多相纳秒脉冲放电来获取低温等离子体并和Ti O2光催化剂相结合。采用单喷嘴-筒式放电结构,研究了不同脉冲峰值电压、脉冲重复频率、鼓入气体体积流量、Ti O2镀膜长度、放电处理时间、大肠杆菌的初始浓度等条件对大肠杆菌灭活效果的影响。研究结果表明:当脉冲峰值电压为31 k V、脉冲重复频率为50 Hz、鼓入气体体积流量为80m L/min、Ti O2镀膜长度为1.0 cm、放电处理时间为10 min时,大肠杆菌的灭活率达到99.88%;大肠杆菌的剩余量随着脉冲峰值电压、脉冲重复频率、放电处理时间的增大而减小;随着大肠杆菌初始浓度的增加而增大;随着鼓入气体体积流量的升高而先减小后增大;随着Ti O2镀膜长度的增加而先减小后基本不变。     

低气压大体积等离子体发生及其电参数特性研究

低气压大体积的均匀等离子体在材料处理、催化剂的活化和再生等领域有很好的应用前景。为研究理想的低气压大体积等离子体发生装置,在自制的真空反应器中采用平行板电极,在10~100 Pa的气压下,利用脉冲宽度小于50μs、峰值电压小于3 kV、频率50~104 Hz的双极性脉冲源,发生了最大体积约为21 L的均匀等离子体。对放电时反应器的电压电流波形进行了测试,获得在不同压强的空气、氧气、氩气介质,不同的电极间距下,放电的起始电压,以及空气中等离子体功率随气体压强、电极间距、极板面积、脉冲频率及电压峰值等不同参数变化的数量关系。结果表明:在3种介质中均获得了大体积均匀等离子体,最大体积为21 L,且空气中气压50 Pa时,生成等离子体的均匀性和放电的稳定性较好;在20~100 Pa的空气中,电极间距为10~30 cm时,放电起始电压随着气压和电极间距增大而增大;放电的功率密度与极板面积无关,随气压、脉冲频率、电压的增大而增大,随电极间距的增大而减小。     

大气压氩气纳秒脉冲针—水结构气液放电特性研究北大核心CSCD

为了在提高放电等离子体活性的同时保持较为稳定的放电,文中利用纳秒脉冲电源驱动大气压氩气中针—水结构气液放电,研究了不同脉冲电压和频率下的放电电学特性、发光图像和发射光谱强度,并讨论了相关参数对放电特性的影响原因。结果表明:在氩气纳秒脉冲气液放电中,脉冲电压和频率不会对放电模式产生影响。随着脉冲电压的增大,上升沿电流、下降沿电流和平均功率均增大,且上升沿电流总是大于下降沿电流;当脉冲频率增大时,上升沿电流和平均功率增大,下降沿电流逐渐减小。等离子体特性方面,在不同脉冲电压和频率下均测到了较强的Ar(4p→4s)、H(656 nm)和O(777 nm)谱线和较弱的H(486 nm)谱线,并且4种激发态活性粒子的发射光谱强度均随着脉冲电压和频率的增大而增大。     

低压高温条件下纳秒脉冲针-板放电初步实验研究

为了研究高超声速飞行器进气道内气体的放电特性,建立了低压高温环境下针-板放电实验系统,采用纳秒脉冲电源,开展了气压范围500~1 500 Pa、温度范围50~400℃条件下的直接驱动式放电实验。研究表明:当温度为50℃、气压为500 Pa时,针-板之间均存在形态为从针尖向板面扩散的柱状放电通道,而且随着气压的升高柱状通道逐渐向中心处收缩;在温度较低的情况下,峰值电压主要受气压的影响,并随着气压的升高而升高,在50℃、1 500 Pa时峰值电压达到了1 810 V;在温度较高时,若气压较低,温度的升高对峰值电压影响较小,而气压较高时,峰值电压的变化受温度影响较大,并随着温度的升高而降低,在1 500 Pa、400℃时峰值电压降为1 250 V。实验结果对后续研究超声速气流中纳秒脉冲放电特性与机理提供参考。     

低气压直流辉光放电数值模拟与实验研究

为进一步探究低气压直流辉光放电机理,建立了基于局部平衡假设的2维直流辉光放电模型,研究了正常辉光向异常辉光放电的转变过程及其放电特性,并将异常辉光放电数值模拟结果与实验结果进行对比分析。结果表明,正常辉光放电时,在放电电压小幅增大的情况下,放电区域的扩大使放电电流增大,阴极位降区厚度减小,并出现明显的负辉光区。进一步增大放电电压,放电将覆盖整个阴极表面,可以明显区分出阴极位降区、负辉光区和正柱区,此时放电转变为异常辉光放电;放电电压为400 V时的阴极位降区电场强度高达3 200 V/cm。异常辉光放电、气压不变时,增大放电电压不会改变放电结构,但负辉光区的电子数密度增大使电流增大、放电增强;放电电压为400 V且气压在50~420 Pa之间时,放电电流将随气压的升高而增大。     

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。     

双极性高压脉冲介质阻挡放电降解甲醛及臭氧生成质量浓度控制

为进一步提高介质阻挡放电(DBD)降解甲醛的效率,并控制副产物的生成量,采用正负双极性高压脉冲电源对同轴式介质阻挡反应器供电,系统地研究了脉冲电压、脉冲重复频率、放电间隙、气体体积流量及甲醛初始质量浓度等影响因素对甲醛降解率及臭氧生成质量浓度的影响。实验结果表明:升高脉冲电压有利于甲醛的降解,当脉冲电压达到19 k V时,脉冲电压继续升高对甲醛降解率的影响不大,而臭氧生成质量浓度随着脉冲电压的增加而不断增大;放电间隙对甲醛降解率有很大的影响,随着放电间隙的减小,甲醛降解率增大,但放电间隙过小时,臭氧生成质量浓度较大;随着气体体积流量的增大,甲醛降解率降低;随着脉冲重复频率的增大,甲醛降解率增大,当脉冲重复频率达到60 Hz时,继续增加脉冲重复频率,甲醛降解率增大不明显;在一定实验条件下,甲醛初始质量浓度越大,甲醛降解率降低,而甲醛去除质量浓度增大并趋近于反应器的最大处理量。     

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。     

高空低气压、低温环境下的电晕放电模拟试验系统

为研究高空低气压、低温环境下的电晕放电特性,研制了由气压泵、气压计、温控箱、密闭气罐、高压静电源、动态电位测试仪等组成的低气压、低温环境电晕放电模拟试验系统。该系统可实现10-2 Pa~100 k Pa范围内的气压调节和-60~20℃范围内的温度调节,满足试验所需的气压和温度要求。并利用此系统进行了不同气压下的电晕放电试验,初步得到了电流波形随气压的变化规律。试验结果表明:在10~100 k Pa气压范围内,当温度、湿度等其他环境因素基本不变时,随着气压的降低,电晕放电电流脉冲上升沿及放电形成所需要的时间增加,而放电电流脉冲下降沿和持续时间基本不变,分别约为320 ns和600 ns。     

基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计

重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动,研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。磁心电感越大、外径与内径之比越大,且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法,进一步提高输出电压。整体脉冲源可以在50~300Ω负载产生2~14k V,高阻负载产生4~25k V,前沿3.8ns,脉宽7~15ns,重复频率0~10k Hz的重频纳秒脉冲电压,装置结构紧凑,参数调节灵活,方便携带。     

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。     

基于纳秒脉冲电压的固体绝缘材料缺陷检测

文中搭建了重复频率纳秒脉冲电压下局部放电检测平台,输出电压幅值30 k V、脉冲前沿100 ns,半高宽120 ns,重复频率最大10 kHz。在纳秒脉冲电压激励下,试品中的缺陷产生局部放电,局部放电的次数与所施加脉冲数一致,放电重复性好,放电量和局部放电起始电压易于统计,局部放电参量便于提取;连续脉冲下,可以通过试品放电量的变化过程来判断试品缺陷的发展情况。因此,纳秒脉冲电压可用于试品的绝缘缺陷检测,有助于开展固体绝缘材料在局部放电作用下破坏过程和机理的研究。     

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.     

空气负电晕Trichel脉冲特性的实验研究

为得到Trichel脉冲放电的特征,采用针-板电极结构对空气中负电晕放电的特性进行了实验研究。利用示波器测试了放电电压、电流波形和脉冲频率,利用微安表测试了平均放电电流,并通过放电结构上并联电容的方法研究了外接电容对放电的影响。结果表明,空气负电晕Trichel脉冲非常稳定、规则;其脉冲频率随平均电流线性增大,针尖曲率影响频率上升的斜率,但电极间距、气压、并联电容对频率影响较小;不同放电条件下的Trichel脉冲波形基本相同,其上升沿几乎不随电流、间距、气压、针尖曲率和并联电容变化,但脉冲幅值随平均电流略有下降,同时与间距、气压、针尖曲率和并联电容等条件有关;Trichel脉冲是电晕区的特征放电,在给定电极条件下,其形成过程与平均电流(电压)、气压和外电路并联电容等无关。     

不同气体介质下极不对称DBD放电模式转化研究

在大气压条件下,气隙距离为12 mm时,针—板DBD结构在不同的气体介质中会表现出不同的放电模式。当气体介质为氩气、放电电压为4 k V时,放电电压的正半周期表现为丝状放电模式,放电电压的负半周期为类辉光放电模式。当气体介质为氮气、放电电压为12 k V时,放电为电晕放电模式,但电压的正负半周期电晕放电模式也存在区别,在电压的负半周期,电流脉冲更加规则。当放电电压升高到15 k V,放电电压的正、负半周期会出现不同的放电模式,正半周期为丝状放电模式,负半周期呈现类辉光放电模式。在空气条件下,放电电压为12 k V时,存在和氮气条件下相似的电晕放电模式,而当放电电压为15 k V时,在整个周期只表现出丝状放电模式。     

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。