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。     

基于射频放电一维模型的等离子体诊断

为深入研究磁流体效应机理,采用阻抗测量的方法,通过对放电波形的处理,得到放电电压幅值、电流幅值及相位角,依据射频放电一维模型建立等效放电电路,对等离子体参数进行诊断。研究表明,采用半峰值法能够精确读取电压电流幅值及相位角;同轴电缆的容性作用对射频放电电路结构有很大影响;在压力P=1 500 Pa,放电频率f=6.2 MHz的静止条件下,电容耦合射频放电等离子体的电导率约为4×10-3 S/m,电子数密度在1016 m-3量级,电导率随着负载功率增大而增大,随磁感应强度变化呈"V"形变化,在磁感应强度较小时,电导率随磁感应强度增加减小,磁感应强度较大时,随磁感应强度增大而增大;电子数密度随着负载功率和磁感应强度增加而增大。     

大气压射频微等离子体放电结构演化的粒子模拟

大气压射频微等离子体放电具有较大的潜在应用价值,但实验研究较困难。为此借助于粒子模拟的方法,在给定的放电间隙下,研究了电流密度及二次电子发射系数(SEEC)对射频微等离子体的放电结构的影响。模拟结果表明,随着输入电流密度的增大,放电空间逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电结构,电子密度也会随之增大,鞘层电场逐渐增强,同时电子能量概率函数(EEPF)曲线会随之整体向上偏移;而在给定的电流密度下,随着SEEC的增大,放电结构也会逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电的结构,电子密度会随之增大,同时鞘层电场会逐渐变小,高能电子(20 eV)比例也随之减小。最后分析了在大间隙下出现鞘层主导结构的可能性。     

沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入理解沿面介质阻挡放电(SDBD)的放电机理,揭示其产生等离子体的特性参数的演化规律,基于放电的物理过程和实验结果,以非对称结构SDBD发生器为研究对象,建立了其集总参数等效电路模型。首先参照高速相机拍摄的放电图像,估测了等离子体几何尺寸与电压幅值的关系曲线,借助Matlab/Simulink软件,联立Boltzmann方程求解器,求解基尔霍夫电压方程、电子连续性方程,得到电流、电子数密度、电子温度、等离子体电阻、气隙电压、介质表面电压等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步计算了电子数密度、电子温度、电阻、容抗随电流密度的变化规律。结果表明:随着电流密度的增加,电子数密度和电子温度增大,等离子体电阻和容抗则非线性减小。研究结果可供深入分析激励器放电特性、实现阻抗匹配、提高等离子体发生器效率参考。     

介质阻挡放电系统中谐振问题的研究

为了解决介质阻挡放电 (DBD)反应器放电性能随激励频率提高反而下降的问题 ,采用电荷电压测量等方法对DBD系统主要放电参量的变化规律进行了实验研究。结果表明 :由激励变压器漏感与电介质层等效电容引起的系统谐振是造成这一问题的主要原因。DBD系统谐振不但能引起放电间隙等效电压、电介质层等效电压、放电间隙等效电阻等放电参量的异常变化 ,降低DBD反应器放电性能 ,而且会对激励变压器与DBD反应器中电介质层的绝缘产生危害 ,影响DBD系统工作稳定性。减小激励电源漏感与合理分布DBD电介质层等效电容是解决DBD谐振问题的有效措施。     

电容耦合式无线电能传输系统阻抗变换网络的设计

本文基于阻抗变换原理,提出了电容耦合式无线电能传输系统中阻抗变换网络的逐级设计方法。按照这种方法,首先根据发射电源参数、负载电阻与功率、耦合电容的容许电压等条件,计算出各级阻抗变换网络应该存在的等效电阻;然后根据这些等效电阻用解析方法设计出阻抗变换网络的电抗元件参数。通过对负载的阻抗变换,得到较大的等效电阻,实现了以小电流大电压的方式向该阻抗变换网络传输功率。该方法不仅降低了耦合电容电压,而且减小了电感及电容串联电阻的功率损耗。以小功率应用为例,设计了相应的阻抗变换网络,通过仿真和实验,验证了设计原理的正确性。     

平板型DBD臭氧发生多参数影响研究

DBD放电特性主要由其放电参数评定,因此研究DBD臭氧发生器的放电参数对臭氧合成实际应用具有重要意义。文中主要研究峰值电压、放电频率和气体流量的变化对平板型DBD臭氧发生器放电特性及臭氧合成特性影响。并利用Q-V Lissajous图来计算臭氧发生器等效电容、放电间隙的折合场强、放电功率等放电参数,进而得出臭氧体积分数与产率的变化关系。实验结果表明:峰值电压从5 kV增大到9 kV,放电频率从5.5 kHz上升到8 kHz时,放电功率呈线性增大,放电间隙的折合场强和介质层等效电容逐渐增加,放电间隙等效电容逐渐减小,等效总电容、放电最小电压和击穿电压基本不变;臭氧体积分数随峰值电压增大先增大后减小,随放电频率的增大缓慢上升,而臭氧产率则均减小。气体流量从0.5 L/min变化到4.5 L/min时,放电参数基本不变,臭氧产率则随之增大。放电频率一定,峰值电压较高时,气体流量适当增加能促进臭氧的生成。     

采用时变电阻的水下高压放电模型

水下高压脉冲放电过程中的瞬态物理现象非常复杂,放电通道等效电阻从放电初期的kΩ量级到中期的mΩ量级,为一时变参数。若在仿真计算中将它看作常数,则计算得到的放电电流在峰值和振荡周期上均与实验结果相差较大。为尽可能真实地反映放电特性,建立了放电水间隙时变等效电阻R(t),推导了等效放电回路方程,利用有限差分法进行求解,得出放电电流和放电电压的表达式,并将仿真波形与实验测量得到的放电电流和放电电压的波形进行了对比分析。结果表明,在放电电极时变等效模型基础得到的仿真结果相对于常数等效电阻的仿真结果,更接近实验结果,同时显示出有限差分方法在求解放电回路变系数微分方程时的有效性。     

超声速气流电容耦合射频放电特性

针对如何产生均匀和稳定的超声速非平衡等离子体这一科学问题,为进一步探究超声速气流电容耦合射频放电特性,建立了超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统,开展了Ma=3.4条件下,超声速气流边界层与主流中心区的电容耦合射频放电特性研究;同时针对超声速放电等离子体的实时诊断问题,基于均匀射频放电模型,联立能量平衡方程,建立等离子体诊断模型对平均电子数密度与电子温度等参数进行诊断。结果表明:超声速气流条件下,通过电容耦合射频可以产生均匀和稳定的放电等离子体;分子数密度是影响超声速气流放电特性的主要因素,同时超声速气流对平均电子温度的影响很小,约为0.46 e V。     

正弦波电流供电的介质阻挡放电电路分析

本文从串联谐振逆变器的特点出发．将串联谐振逆变器供电的介质阻挡放电电路等效为由正弦波电流供电的介质阻挡放电电路；对正弦波电流供电的介质阻挡放电电路进行了分析．推导出了放电间隙电压和放电间隙电流的数学表达式；对放电间隙电压进行了傅里叶分解，并由此求出了放电间隙的等效阻抗。     

低气压容性射频放电中电流密度对鞘内离子能量通量的影响

研究了低气压容性射频放电电流密度与离子到达被加工材料表面的能量通量之间的关系。在Lieberman的射频鞘模型基础上，计算离子从等离子体内部到材料表面所经历的时间平均的总鞘电势差，发展了Lieberman的模型。并利用离子浓度和总鞘电势差的表达式推出到达材料表面时离子的能量通量与射频驱动电流密度的关系式。驱动电流密度对鞘内离子能量通量起激励作用：随驱动电流密度增加，离子能量通量单调增加。时间平均的鞘电势差与驱动电流密度的关系实验与理论模型进行了比较，结果呈现较好的吻合，为理论分析的正确性提供了证据。     

基于参数辨识的水中脉冲放电阻抗特性分析

通过水中脉冲放电实验获得了实验平台固有参数和不同间隙下典型放电波形,采用电感分量剥离方法得到等离子体通道的时变电阻特性。建立了考虑等离子通道时变电阻的水中脉冲放电等效回路模型,提出了基于粒子群优化(PSO)算法的通道阻抗模型参数辨识方法。计算结果与实验结果对比表明,放电电流波形、阻抗变化特性与实验结果的误差小于3%,基于参数辨识的水中脉冲放电阻抗模型能够指导相关工程应用。     

三电极等离子体合成射流的尖尖放电特性

为了准确把握电弧放电电阻的大小,提高等离子体合成射流的能量利用率。进行了三电极尖尖放电的实验,通过改变电极间隙、环境气压、电容、电压,得到电弧电阻的大小以及放电效率、电弧电阻和放电形态随参数的变化。结果显示:大气压条件下,随着放电初始电压的增大,放电效率和电弧电阻逐渐降低;大气压条件下,对于同一电容能量(≥250 m J),电弧电阻不会随着电容值的变化而变化;高气压条件下(50 k Pa),电容越大,电弧电阻和放电效率越高;增大电极间隙,可以增大电弧放电的电阻和放电效率。随着气压降低、电压增大或电极间隙增小,放电区域面积会增大。     

准高频介质阻挡放电功率及负载等效参数测量

为了解准高频条件下介质阻挡放电特性以及实现等离子体电源与放电管之间的匹配,采用Q-ULissajous图形法研究了外加电压幅值和频率对介质阻挡放电(DBD)的放电功率、等效电容等放电参量的影响。试验结果表明,增大外加电压幅值和工作频率,微放电通道发光强度增强,传输电荷能力增强,放电功率增大;随着外加电压幅值和工作频率的增大,放电管总等效电容C在1.350～1.356nF范围内变化,电介质等效电容Cd增大,放电间隙等效电容Cg减小,直至放电稳定时Cd和Cg分别达到稳定值。     

多层导电结构厚度电涡流检测解析模型及实验验证

从准静磁场条件下的Maxwell方程组出发,采用矢量磁位法,推导了位于任意多层导电结构上方圆柱型电涡流探头的阻抗解析模型。在阻抗计算中引入符号运算法求解矢量磁位表达式系数,大大减小了程序计算量,提高了程序效率。将阻抗解析模型应用于单层和两层导电结构厚度检测,分别研究和分析了单层厚度、铝基体上铜涂镀层厚度及铜基体上铝涂镀层厚度变化对探头阻抗变化的影响规律。仿真及实验结果表明,所推导的理论模型正确,可应用于导电结构厚度和材料属性检测的反演以及电涡流检测系统的参数优化。     

大气压脉冲调制射频氦气放电特性的数值模拟

采用脉冲调制可以有效优化大气压射频放电行为。为此利用1维流体模型,考虑了氦等离子体放电过程中主要的13个反应及6种粒子,研究了大气压脉冲调制射频氦气放电特性,并分析了调制频率、占空比对放电特性的影响以及输入电压对达到最大电子数密度所需时间的影响。结果表明:脉冲调制之后,固定调制频率时,随着占空比的减小,氦气放电的击穿电压增大;固定输入电压时,最大电子数密度所需时间与剩余电子数密度成反比。利用功率输入时间及最大电子数密度所需时间的关系,合理选择占空比及调制频率可以在满足实际应用的同时,最大地节约功率损耗;固定占空比及调制频率时存在着最优输入电压,使得最大电子数密度所需时间最短,合理选择输入电压也能使放电特性得到优化     

电机轴电流问题中轴承等效电容和电阻的计算模型

在PWM逆变器供电交流电动机运行中,轴电流问题影响着系统安全。预测轴电压和轴电流需要确定轴承的等效电容和电阻。该文通过分析轴承受到应力作用发生的弹性形变推导了轴承滚球与滚道之间的赫兹接触面积与油膜厚度的计算公式,继而得出轴承电容的计算公式。通过该模型分析了轴承电容与电机轴承温度、电机转速和轴承受力之间的关系。推导了轴承等效击穿电阻的计算公式,指出该等效电阻会随着油膜击穿点数的增大而减小。对一台变频供电2.2 kW感应电机进行轴电压和共模电压测量,结果表明所提出的计算模型是合理的。     

孔深对射频空心阴极放电特性的影响

为了提高射频空心阴极放电中的等离子体密度,通过实验和数值模拟研究了氩气环境下孔深对射频空心阴极放电的影响。在实验上利用Langmuir探针测量了射频空心阴极放电等离子体的电子数密度,并对不同孔深条件下获得的电子数密度进行了比较。利用二维流体模型模拟了空心阴极结构下的射频放电,获得了电子数密度和电离速率的分布随孔深的变化规律。模拟结果表明:大的孔深可以增加孔内强电离区域的大小,并使等离子体密度增加,这一规律与实验结果相符;当孔深与孔径的比值大于3时,等离子体密度基本达到饱和。     

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。     

大气压纳秒脉冲裸电极放电的粒子模拟研究

大气压纳秒脉冲放电由于能量利用率高、可以生成多种活性粒子且容易形成均匀的放电等优势,在等离子体环境、医学等应用方面具有广阔的前景。为此借助于粒子模拟方法,研究了在裸电极条件下,纳秒脉冲放电的演化过程及放电机理。由于电极表面没有覆盖介质,在脉冲电压施加过程中,只能观察到一次放电,放电电流一般在电压下降沿开始时刻附近达到最大值。在电压上升沿及坪区阶段,鞘层电场持续增强,鞘层厚度逐渐变薄,电子能量概率分布函数存在明显的高能尾部,电子与离子数密度可以达到很高的数值;放电的熄灭主要是由于脉冲电压的下降造成的,即使在脉冲电压下降阶段,由于前面阶段放电剧烈鞘层电场非常强,碰撞电离依旧可以持续一定的时间。通过粒子模拟研究脉冲电压驱动的裸电极放电,并与相应的介质阻挡放电比较,有助于深化对纳秒脉冲激励的放电演化过程与内在机理的认识。