大气压氦气介质阻挡辉光放电的数值仿真计算

通过精心选择一维模拟计算所需要的各个参数,使用有限差分法数值求解了大气压氦气介质阻挡辉光放电数学模型中的离子连续方程、电子连续方程、泊松方程以及相关的辅助方程,得到了与实验吻合度很好的仿真波形。在此基础上计算了电场、离子密度、电子密度等放电空间内部参量随时空的演化图,这些参量对定量分析大气压氦气辉光的放电机理有重要作用。从理论上对所得到的计算结果做出了解释,并使用仿真结果很好地解释了实验所拍摄到的放电图像。     

氦气和氖气中大气压均匀介质阻挡放电特性比较

均匀介质阻挡放电（HDBD）相对于丝状模式具有更为广阔的应用前景,为研究其机理特性,在8mm气隙距离的氦气和氖气中分别实现了大气压HDBD;通过电压电流波形和Lissajous图形测量以及发光图像拍摄比较了两者放电特性的区别;研究了不同电压幅值下两者各放电参量的变化规律,并结合放电机理分析对实验结果进行了讨论。研究结果...     

空气中介质阻挡大气压辉光放电特性的研究

采用筛网电极和聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)薄膜作为阻挡介质的介质阻挡放电(DBD)结构在空气中产生大气压辉光放电(APGD)。通过测量空气中APGD的电气特性和发光强度空间的分布特性,比较了它们与丝状DBD的区别: 通过研究APGD的放电特性,分析了空气中APGD的放电机理。实验结果与分析表明,采用该电极结构可以在空气中产生APGD,空气中APGD的放电特性与丝状DBD具有明显的区别,筛网电极起到了在气隙击穿前产生电晕放电对驻极体阻挡介质充电的作用。     

介质阻挡放电和大气压辉光放电的分析和仿真

鉴于介质阻挡放电(DBD)和大气压下的辉光放电(APGD)都是非线性变化的负载,会给放电电源的设计带来很大麻烦,分别对这两种最有工业应用前景的低温等离子体技术进行了理论分析和仿真,讨论了表征放电特性的图形,指出了随着输入电压频率f的变化,DBD微放电脉冲的幅值将增大,而气隙上的电压Ug、介质上的电压Ud和外加电压U的关系保持不变。仿真和测量结果验证了理论分析的正确性。     

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...     

大气压不同惰性气体介质阻挡放电特性的比较

为了加深对大气压惰性气体介质阻挡放电的认识,使用电特性测量、高速摄影,发射光谱等手段研究了平板结构大气压惰性气体介质阻挡放电的放电模式、演化过程以及放电机理,并对不同气体的放电特性进行了比较。实验结果表明在2～8mm大气压氦气、氖气中可很容易的实现稳定的均匀放电,并且其放电模式为辉光放电。对2mm气隙的高频大气压氩气介质阻挡放电研究的结果表明,氩气中不易实现覆盖整个电极的均匀放电,而随外加电压的增加,更容易出现自组织的斑图;当气隙距离>3mm时氩气放电为细丝状的流注放电,并且其放电通道中的电流密度可达7.5A/cm2。ICCD高速相机拍摄的时间分辨放电图像显示,大气压氦气、氖气以及氩气的均匀放电为汤森放电向辉光放电的演化过程。光谱诊断结果表明,惰性气体的高能亚稳态粒子与杂质分子的彭宁电离对放电的均匀性起着非常关键的作用。氦气放电等离子体中观察到了氮离子的第一负带系N2+(B2Σu+→X2Σg+);而在氖气和氩气中没有发现这个带系,观察到的是氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线,这说明氖原子和氩原子的亚稳态能级太低不足以激发氮离子的第一负带系。     

大气压空气介质阻挡汤森放电

为了实验研究大气压空气介质阻挡均匀放电的可能性,使用1.5mm以上厚度的Al2O3陶瓷片作为阻挡介质及1～2kHz的高压激励,在大气压3mm空气平板间隙中获得均匀放电。通过ICCD高速摄影得到的放电图像以及电流波形的分析表明这种放电是汤森放电。3mm空气间隙的稳态击穿电压仅约为5.7kV,远低于静态击穿电压11.2kV;还发现了类似氮气DBD汤森放电的"反常熄灭"现象,这两个现象表明陶瓷表面可能存在浅位阱及二次电子发射机制,这对空气汤森放电的起始和维持阶段都至关重要。另外,实验发现陶瓷厚度对空气DBD有重要影响,使用厚度<1.5mm的陶瓷片往往无法避免丝状放电。使用2片厚度各1mm的石英玻璃替代陶瓷片在670Pa～0.1MPa都无法获得均匀放电。上述3mm空气汤森放电的原因归结于陶瓷表面独特的"浅位阱"特性以及阻挡介质限流作用的共同效果。     

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。     

不同电极结构介质阻挡放电特性比较

采用电压-电流波形测量、发光图像拍摄、光谱分析等手段研究大气压空气中刃-板电极、针-板电极和柱-板电极结构介质阻挡放电(DBD)的放电特性,并研究电压幅值、电源频率及气隙距离对放电功率和分子振动温度等放电参量的影响,结合放电理论对不同电极结构DBD的特性进行分析。结果表明：3种电极结构DBD的电压电流波形、Lissajous图形以及光谱谱线体现出不同的特点,相同条件下柱-板电极结构DBD放电强烈,消耗放电功率多,粒子谱线强度高,放电电流可达200 mA。电极布置差异导致电场不均匀系数的不同是放电特性出现差异的主要原因。随着电压幅值、电源频率的增加和气隙距离的减小,3种电极结构放电增强,放电功率和分子振动温度增加。     

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.     

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。     

气隙宽度对大气压氦气介质阻挡放电多脉冲特性影响的仿真研究

气隙宽度d是介质阻挡放电(DBD)的一个重要调控参数。通过一维流体模型研究d对平行板电极大气压氦气DBD多脉冲特性的影响。重点关注电流脉冲幅值Im、电流脉冲宽度l和脉冲幅值相位??等特征参数。仿真结果显示,当d从0.5mm增加至4.5mm时,Im先增大、后缓慢减小;l持续降低,并最终趋于稳定;??表现为单调增加。当d小于3mm时,放电表现为多电流脉冲(MCP)形式。进一步增加d,放电转化为单电流脉冲(SCP)形式。放电机理的分析表明,短气隙(d≤1.5mm)下的放电是汤森放电。此时,阳极附近易于形成局部的高密度空间电荷区,其自建电场与外施电场方向一致,趋向于增强气隙电压Vg,从而使某次放电熄灭后的Vg能够快速恢复到再次击穿水平。在较宽气隙(d≥2.0mm)下,放电表现为辉光放电模式。由于辉光放电贯穿整个气隙,残留的空间电荷呈近似均匀分布(即自建电场强度水平较低),导致气隙在半周期内难以再次击穿。     

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。     

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。     

影响介质阻挡放电的因素

针对影响介质阻挡放电的因素较多,理论还不完全成熟的现状,通过试验研究了影响介质阻挡放电的部分因素,如施加电压的幅值、极板间气隙的间距、不同介电常数的阻挡介质、不同厚度的同一种介质、网眼大小不同的丝网、不同结构形式的极板结构。试验发现电极结构以及阻挡介质的材料对放电影响较大,采用针板电极及电阻率高的阻挡介质容易形成稳定的放电。该研究可供下一步进行其它影响因素的试验和理论研究及应用参考。     

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。