单极性纳秒脉冲介质阻挡放电电荷传输特性实验分析

单极性高压脉冲电源激发介质阻挡放电（DBD）产生非平衡态等离子体具有很好的前景。为此,基于单极性ns脉冲电源实验研究了DBD电荷传输特性。通过改变实验条件,同时也研究了不同情况下放电的电荷传输以及能量消耗。研究了介质阻挡层厚度、介质阻挡层材料、气隙距离、施加脉冲电压幅值、重复频率和电压极性对放电电荷传输特性的影响。实验...     

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。     

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。     

纳秒脉冲表面放电等离子体影响因素的实验研究

在大气环境条件下,以环氧为介质阻挡材料,基于单极性ns脉冲电源进行了表面介质阻挡放电实验,研究了电压幅值、电极宽度、电极间距和重复频率对放电等离子体的影响。结果表明ns脉冲表面介质阻挡放电是丝状放电,放电发生在电压脉冲的上升沿阶段;放电电流主要包括两部分脉冲,与放电丝分布的均匀性有着一定的内在关系,外加电压对放电的均匀性以及产生等离子体的长度起作用;电极宽度和间距对放电电流和产生等离子体的发光强度影响不大,电极宽度和间距越小,放电丝分布越均匀,电极宽度存在一个最优值,使得激励器的放电稳定且产生等离子体相对均匀;脉冲重复频率仅对等离子体强度起作用,对放电特性的影响较复杂,不同电极参数下这些影响与放电丝的分布状态有关。     

大气压空气中纳秒脉冲弥散放电实验研究

为了能够在大气压下获得大面积高能量密度的低温等离子体,近年来弥散放电的研究与应用受到广泛关注。采用基于磁脉冲压缩系统的重复频率ns脉冲电源来激励大气压空气中尖板电极结构放电,通过电压电流测量和发光图像拍摄研究了弥散放电的特性。实验结果表明,在常温常压和高重复频率下能够获得大面积均匀的弥散放电,气隙距离增大或减小时,弥散放电分别向电晕放电与火花放电转换。重频ns脉冲放电存在极性效应,电极的小曲率半径处施加负脉冲时需要比正脉冲更高的电场强度才能获得弥散放电。此外,弥散放电的强度随着脉冲上升时间的增大而减弱。因此合适的气隙距离、极不均匀电场的强场处施加正极性脉冲和较陡的脉冲上升时间有利于获得较为强烈的弥散放电。     

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。     

同轴结构电极的介质阻挡放电研究

对管-管和线-管结构电极施加不同电压,测试其在不同电压下的放电电流及Lissajous图形,从传输电荷量、电流电压波形以及气隙电压变化等方面分析同轴结构电极的介质阻挡放电的放电机理。结果表明:在大气压敞开环境下,介质阻挡放电的管-管结构电极的气隙电压恒定,且远低于峰值电压,在放电过程中传输的电荷较多;而介质阻挡电晕放电的线-管结构电极的气隙电压变化较大,但与峰值电压相差不大,在放电过程中传输的电荷较少。     

常压单极性纳秒脉冲DBD模式的实验研究

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的重要方法。实验研究的DBD由上升沿15 ns,半高宽约30ns最高重复频率1 kHz的正极性纳秒脉冲产生,测量了DBD电压、电流以及放电图像。结果表明,空气间隙上发生两次放电,分别发生在施加电压的上升沿和下降沿末端,电流峰值可达百安培量级,峰值功率可以达到MW级。放电图像显示放电分为均匀放电和丝状放电两种模式,且阻挡方式和重复频率都是影响这两种放电模式相互转化的重要因素。     

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。     

等离子体气动激励的能量转化过程分析

为了提高等离子体气动激励的能量利用率,优化等离子体气动激励,对表面介质阻挡放电的能量转化过程进行了研究。将消耗的能量分为4部分,针对3种典型频率表面介质阻挡放电试验过程波形进行数据处理,得到了等离子体气动激励的能量利用率。试验计算结果表明:ns脉冲最大放电电流最大,可达4A,而且能耗最低,仅为7.5W;ns脉冲等离子气动激励的能量利用率最高、μs脉冲次之、ms脉冲最弱。研究结论有助于提高等离子体气动激励控制附面层的能力,为等离子体流动控制技术的应用奠定基础。     

脉冲电源驱动多针—平板电极介质阻挡放电影响因素研究

笔者采用μs振荡脉冲电源驱动多针—平板电极,产生空气中介质阻挡放电(DBD),测量了不同条件下放电的电压电流波形,拍摄了放电发光图像,并进一步计算得到放电功率和传输电荷量等主要放电参量,研究了多针电极密度、外加电压幅值和气隙距离对多针—平板电极DBD放电特性和放电参量的影响,并结合放电机理对所得到的实验结果进行了分析....     

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。     

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。     

多脉冲均匀介质阻挡放电特性的仿真及实验研究

为了简化实验,优化反应器设计,扩大均匀介质阻挡放电的应用范围,基于用电压控制电流源(VCCS)模拟均匀放电过程的介质阻挡放电(DBD)等效电路模型,利用Simulink建立了大气压多脉冲均匀DBD的动态仿真模型。模型中采用适于表征均匀DBD的VCCS激励信号,建立了开关控制模块再来对VCCS进行控制,从而实现对放电电流脉冲个数的调节。利用所建模型对大气压氖气中平板电极结构DBD的电气特性进行了仿真,得到了不同条件下多脉冲均匀DBD的电压电流波形以及Lissajous图形。同时,建立了大气压氖气中DBD实验装置并对不同电压幅值下的放电特性进行了实验研究,还将仿真与实验所得到的结果进行了比较。结果表明,利用所建模型仿真得到的电压电流图形和Lissajous图均与实验测量结果相符合,验证了仿真模型的正确性。利用仿真模型进一步计算得到了实际实验过程中无法直接测量获得的放电参量,如气隙电压、介质电压、放电电流、放电功率、传输电荷等。由仿真得到的伏安特性曲线可知,氖气中多脉冲放电除第1次脉冲放电为Townsend放电转化为辉光放电,其余脉冲放电皆为辉光放电。     

Experimental Study of DBD Plasma Actuator with Combination of AC and Nanosecond Pulse Voltage

In the last decade, dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators using a combination voltage of AC and a nanosecond pulse have been studied. The combined‐voltage‐driven plasma actuator increases the body force effect, including wall jet and flow suction, by overlapping the nanosecond pulse voltage, while the DBD plasma actuator driven by nanosecond pulses is a flow control actuator generating compression waves due to pulse heating, which makes it possible to supply an active flow control at a high‐speed flow, reported as up to Mach 0.7. In this study, a DBD plasma actuator driven by a combination voltage of sinusoidal AC and nanosecond pulse was experimentally investigated. The time‐averaged net thrust and cycle‐averaged power consumption of the actuator were characterized by using an electrical weight balance and the charge‐voltage cycle of a DBD plasma actuator, respectively. The plasma actuator thrust driven with the combination voltage showed increased thrust with increasing pulse repetition rate. The energy consumption of the actuator was controlled by varying the AC phase when the nanosecond pulse was applied. Therefore, the thrust and power consumption in the actuator were almost independently controlled by the pulse repetition rate and the pulse imposed phase.     

空气条件下介质阻挡放电影响因素的研究

为了解决低气压等离子体用于工业生产时存在真空系统昂贵和难以实现试品的批量处理等缺点,采用环氧树脂和聚四氟乙烯(PTFE)作为介质阻挡放电(DBD)的阻挡介质,探讨了在不同放电间距d(2-5 mm)、气压p(10-100 kPa)和外施电压U下的放电特性。结果表明,PTFE为阻挡介质,d≤3 mm时,在大气压下可利用DBD的形式产生辉光放电,当d>4 mm时,则不能得到稳定的DBD;在不同气压下,DBD稳定放电对应的电压区间范围在d为3 mm时最大;次大气压下辉光放电的特征较大气压下更明显,辉光放电更易获得,稳定放电的电压区间也更大。     

空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电研究

大气压空气中均匀介质阻挡放电具有广泛的应用前景,实现均匀放电是介质阻挡放电应用关键之一,因而利用上升沿40ns,脉宽70ns的重复频率纳秒脉冲电源激励在大气压空气中产生介质阻挡放电,介绍了纳秒脉冲均匀介质阻挡放电的电特性和放电图像及放电发射光谱,获得了2ns曝光时间的高速摄影放电图像。发现空气中1mm气隙距离下可以实现均匀放电,气隙距离增加至4mm时放电转变为明显的丝状放电,通过观察发射光谱显示等离子体谱线主要是来自400nm以下的氮分子第二正系。结果证实了大气压空气中利用ns脉冲激励可以产生稳定介质阻挡放电,且能实现均匀放电,是典型非平衡态低温等离子体。     

高频高压下介质阻挡放电的实验研究

利用介质阻挡放电实验装置和测量系统研究了不同的介质层厚度、外加电压以及空气间隙距离的等离子体助燃(PAC)激励器放电特性,并在实验数据的基础上,根据介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的两端电压、放电电流等参数进行了计算。结果表明,介质层的厚度对放电脉冲的次数的影响很大;随外加电压的增加,脉冲放电增加,放电的起始时刻不断提前;随着空气间隙距离的减小,激励器放电强度明显增强,放电更加均匀。