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。     

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。     

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。     

基于不同脉冲电源的超声速气流电离实验研究

为了研究不同脉冲电源对超声速气流电离的影响,探究产生均匀稳定等离子体的方法,在超声速条件下ns脉冲放电实验系统中分别采用FID ns脉冲电源和NSPS3U30F2型脉冲电源对2倍声速的气流进行了电离实验。研究表明FID ns脉冲电源放电时比较稳定,超声速条件下放电电压峰值达到12.3 kV,电流第1个脉冲峰值为15.8A,电流震荡多次后趋于稳定,单脉冲放电能量为1.317 7 mJ,能量利用率较低、均匀性较差、放电较弱,放电频率的增大可以使辉光变强,改善放电特性;NSPS3U30F2型脉冲电源放电时,放电电压峰值仅有3.2 kV,电流第1个脉冲峰值为3.9 A,最大峰值为4.58 A,单脉冲放电能量为3.184 9 mJ,放电呈现为丝状不稳定状态,且沿着气流方向滑动;由于击穿时延的不可忽略性,NSPS3U30F2型脉冲电源只能实现单针放电通道的形成;综合两种电源的优缺点,在超声速条件下实现均匀稳定放电应选用FID ns脉冲电源,研究结果对后续开展磁流体技术相关实验提供了基础。     

衰亡等离子体中产生离子输运初始电子温度效应的临界电子数密度判据

在无外加激励源存在的条件下,不同的等离子体初始参数对衰亡等离子体特性,特别是其内部粒子输运特性的影响会表现出与准稳态等离子体条件下不同的物理规律。为此以激光共振电离所产生的等离子体为研究对象,采用理论分析与粒子模拟相结合的手段,研究了在平行板直流电场作用下衰亡等离子体中带电粒子的输运特性,着重分析了初始电子温度对离子输运特性的影响规律,建立了产生离子输运初始电子温度效应的临界电子数密度判据。研究结果表明:衰亡等离子体在外加直流电场作用下的粒子输运特性会受到初始电子温度和电子数密度、外加电压幅值以及极板间距等多个因素的影响。在外加直流电压与极板间距保持不变的情况下,存在1个临界的电子数密度。当等离子体初始电子数密度低于这一临界数密度值时,初始电子温度将无法影响等离子体衰亡过程中的离子通量;而当初始电子数密度高于这一临界值时,离子衰亡时间将随着初始电子温度的升高而显著缩短。该研究结果在一定程度上揭示了等离子体衰亡过程中初始电子温度和电子数密度对带电粒子输运特性的耦合作用机制,也为实际应用中以提高离子引出效率为目标的关键等离子体初始参数和引出区域结构与工作参数等的调控提供了理论上的指导。     

大气压射频辉光放电电子数密度解析解及等离子体阻抗特性研究

为研究大气压射频辉光放电等离子体阻抗特性,基于射频放电的一维均匀假设模型,推导出了适用于α模式、高气压和小间隙条件下的电子数密度ne的解析解,从而可由实验测得的电压和电流幅值计算出ne;构建了描述整个放电区域的"电阻-电容混联"等效电路模型,模型参数可由ne计算得到。通过与他人数值模拟得到的ne对比,验证了该解析解的正确性。实验结果表明:放电电压和电子数密度随电流密度的增加而线性增加;鞘层厚度、准中性区的等效电容和鞘层的等效电容受电流密度变化影响不大;准中性区的等效电阻和放电间隙总等效阻抗随电流密度的增加而减小。实验结果还指出了前人工作中存在的一些问题:在小间隙时错误地忽略鞘层厚度,认为准中性区的长度就是电极间隙距离;不合理地将准中性区场强近似为0。未来工作希望进一步推导低气压或大间隙时电子数密度的解析解。     

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     

电流密度对大气压射频辉光放电等离子体特性影响的数值模拟

由裸露金属电极结构发生器产生的大气压射频辉光放电(radio frequency atmospheric pressure glow discharge,RF APGD)等离子体射流具有活性粒子浓度高、射流温度较低且可控性强等特点。为研究电流密度对大气压射频辉光放电等离子体特性的影响规律,采用数值模拟的方法,以高纯氦为工作气体,通过流体模型分别对RF APGD放电区和射流区进行了一维非稳态和二维准稳态数值模拟。论文揭示了放电电流密度对RF APGD等离子体特性的影响规律。计算结果表明:在放电区,随着放电电流密度的增加,活性粒子数密度和气体温度均显著升高,当电流密度较高时,放电由α模式转化为γ模式;而在射流区,一方面,随着放电电流密度的增加发生器出口处的气体温度和等离子体密度提高,另一方面,由于气体温度的升高会提高射流区部分去电离反应的速率,导致射流区电子和离子衰减得更快,从而使得射流区不同空间位置处的活性粒子数密度并非随电流密度增加而单调增加。     

大气压射频放电中放电参数对活性粒子影响的数值模拟研究

大气压射频放电是人们比较关注的气体放电形式,在合适的放电条件下,其产生的低温非平衡等离子体中可以产生大量的活性粒子,如何优化与调控这些活性粒子的产生与分布是实际应用中,特别是与环境相关的应用中人们非常关心的问题。因此数值求解了描述大气压射频等离子体的流体模型,研究了放电频率、放电间隙及脉冲调制对大气压射频等离子体中活性粒子的影响。计算结果表明,在相同的功率下,过高的放电频率(20 MHz)会抑制活性粒子的产生,而较小的放电间隙(1 mm,即在微等离子体范围内)则有助于提高活性粒子的数密度;通过选取合适的调制频率与占空比,借助于脉冲调制的方式在大气压射频放电中可以有效的调控活性粒子的产生,并降低功率消耗。研究结果可对大气压射频放电中活性粒子的应用提供一定的理论指导。     

大气压射频放电中放电参数对活性粒子影响的数值模拟研究EI北大核心CSCD

大气压射频放电是人们比较关注的气体放电形式,在合适的放电条件下,其产生的低温非平衡等离子体中可以产生大量的活性粒子,如何优化与调控这些活性粒子的产生与分布是实际应用中,特别是与环境相关的应用中人们非常关心的问题。因此数值求解了描述大气压射频等离子体的流体模型,研究了放电频率、放电间隙及脉冲调制对大气压射频等离子体中活性粒子的影响。计算结果表明,在相同的功率下,过高的放电频率(>20 MHz)会抑制活性粒子的产生,而较小的放电间隙(<1 mm,即在微等离子体范围内)则有助于提高活性粒子的数密度;通过选取合适的调制频率与占空比,借助于脉冲调制的方式在大气压射频放电中可以有效的调控活性粒子的产生,并降低功率消耗。研究结果可对大气压射频放电中活性粒子的应用提供一定的理论指导。     

非平衡等离子体特征量对NO脱除效率的影响

采用数值模拟的方法开展了非平衡等离子体脱除烟气中NO的研究,考察了非平衡等离子体放电中的2个主要特征量（电子数密度n_e和电子平均能量 ）对NO脱除效率的影响。计算结果表明,NO脱除效率随电子数密度n_e和电子平均能量 的变化而有不同程度的变化,相比较而言,电子数密度量级变化对NO脱除效率的影响更大。在NO初始分子浓度（粒子数密度）为10¹⁶ cm^-3情况下,电子数密度较高（10¹⁷ cm^-3）时,即使电子平均能量 低至4 eV,也可获得高达99%的NO脱除效率。当电子数密度和电子平均能量保持不变时,NO脱除效率随着NO初始分子浓度的增加而降低。     

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。     

基于锥形管的环-板电极结构大气压等离子体射流特性

为了研究锥形管对Ar大气压等离子体射流的影响,在环–板电极结构的基础上,采用锥形石英玻璃管作为等离子体射流反应器,并引入了悬浮电极,对其进行了实验研究。通过大气压氩等离子体射流的电气特性的测量和光学特性的诊断,包括拍摄发光图像,测量射流的电压–电流波形和发射光谱,然后计算获得平均放电功率和电子激发温度,研究了当采用不同形状的玻璃管时,Ar等离子体射流的放电特性和演变规律,并结合气体流场仿真与电场仿真对所得的实验结果进行了分析。结果表明:与传统的直管电极结构相比,引入悬浮电极的基于锥形管的环–板电极结构产生的等离子体射流的放电电流有效值、放电功率以及电子激发温度均有所提高;利用锥形管可以使管中Ar气流在出口处的流速更快,且速度分布更为均匀,使得Ar气流可以更为平稳的向前扩展;同时在管口附近形成Ar含量较大的气体氛围,更有利于放电的发展;在环板电极结构中引入悬浮电极,加强了高压电极与悬浮电极间的电场,更易使流过电场中的气体电离,并且使能量集中在射流产生通道,提高了能量利用率。     

预电离大气压低温等离子体射流及其在表面清洗中的应用

具有高化学活性的大气压放电低温等离子体射流具有潜在的应用价值。为此,介绍了一种利用预电离办法产生Ar/O2等离子体大气压低温射流及其在表面油污清洗中的应用。采用针电极放电等离子体作为预电离源,为射流介质阻挡放电(DBD)提供种子电子,使得射流DBD的击穿与维持电压得以降低,即使在氧气与氩气体积比高达6%时,也可以产生均匀稳定的放电模式。采用光纤温度传感器检测得到放电等离子体气体温度在390～440K,而Boltzmann斜率法计算得到的电子激发温度为4640K,通过示踪元素法计算得到氧原子数密度在1017 cm-3量级。将该射流应用到玻璃表面油污清洗,最大清洗速率可达0.1mm/s。所以预电离技术可以产生具有高化学活性的均匀放电的大气压低温等离子体射流,该射流在表面油污清洗中具有较高效率。     

大气压非平衡等离子体射流

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)的显著优点是可以在开放空间内而非狭窄放电间隙内(如介质阻挡放电)产生非平衡等离子体,APNP-Js已成为低温等离子体应用领域的1项新型关键技术。为此,首先从驱动电源的角度出发,分别介绍了直流、交流、射频、微波、脉冲和双电源驱动的几种典型APNP-Js。其次比较了不同电源驱动的APNP-Js特性,发现在消耗功率相同的情况下,脉冲驱动模式下的APNP-Js长度更长,APNP-Js推进速度更快,活性粒子数密度更高,而气体温度则保持在常温。再次进一步分析了电源参数对APNP-Js的影响,1随着频率从1 Hz上升至射频范围,APNP-Js长度总体变短,APNP-Js推进形状由"等离子体子弹"转变为连续柱状;2随着脉冲上升沿从几μs降低至50 ns,不仅APNP-Js推进速度加快,而且APNP-Js长度增加,电子温度更高,活性更强;3通过比较正负极性电压驱动的APNP-Js特性,发现负极性APNP-Js长度更短,APNP-Js推进速度更慢,射流携带电流更小,但等离子体通道中电场强度更高。最后讨论了驱动电源特性与APNP-Js参数之间的关系,并对APNP-Js面临的一些关键问题和发展方向进行了展望,如利用最少的电源功率来驱动APNP-Js以获得最高的活性粒子数密度、电源输出能量耦合进等离子体后如何分配优化等。     

氩气气流增强沿面介质阻挡放电等离子体特性的实验研究

为提高沿面介质阻挡放电等离子体激励器放电强度及其流动控制能力,通过光电测量的方法,研究了引入氩气气流以后,空气沿面介质阻挡放电等离子体放电参数的变化以及氮分子的激发和电离过程。结果表明,氩气引入之后,放电强度和均匀性明显增加,产生了稳定的大面积均匀放电等离子体,"温升效应"明显,有利于增加动量传递效率,提高气流诱导速度。空间测量结果表明:谱线强度、气体温度在中心处最强,且随着到极板边缘距离的减少而减弱;N2(C3Πu)振动温度的变化与气体温度相反。另外,随着氩气流量增加,放电强度先增加后减弱,气体温度升高,加入氩气之后N2(C3Πu)振动温度下降,之后随流量增加先增加后减小并趋于稳定,电子激发温度受流量影响较小。     

大气压氩气条件低载气流量DBD放电特性

为探究大气压氩气条件低载气流量下介质阻挡放电的放电特性,通过拍摄放电图像、光谱分析、测量放电波形图等手段研究了大气压氩气条件下介质阻挡放电(DBD)的放电特性。分别考察了电压、频率、气隙间距和载气流量等参数对DBD特性的影响。实验结果表明:提高外加电压幅值和频率可以显著增强放电功率。提高电压幅值会产生更多的高能电子,提高放电频率可以改变高能电子的分布,使得高能量电子数密度升高,低能量电子数密度下降。气隙间距的减小可以明显提高放电均匀性。载气流量增大时,放电强度下降,但放电均匀性会得到提高。     

大气压N2-O2混合气纳秒脉冲表面介质阻挡放电建模仿真

大气压N2-O2混合气ns脉冲表面介质阻挡放电(SDBD)机理是等离子体气动激励与流动耦合作用机制研究的重要内容。为此,耦合等离子体化学反应动力学方程和考虑能量的等离子体漂移-扩散方程组,建立了大气压下N2-O2混合气ns脉冲放电的2维模型。考虑15种粒子、对应的电子碰撞反应以及35个化学反应过程,得到了SDBD的伏安特性、电荷分布和能量分布。综合分析电荷及电子能量分布结果表明,高能电子撞击是产生离子的主要方式,而低能电子的累积和离子在电场驱动下的定向运动是使放电呈现非平衡的重要原因。将计算结果与实验获得的伏安特性数据、放电形态和光谱分析结果进行了比照分析,发现2者比较相符,验证了模型的可靠性。     

大气压磁驱动滑移弧放电非平衡氩等离子体光谱特性分析

采用横向磁场驱动的滑移弧等离子体发生器,可以产生非平衡、大气压下的氩等离子体。为了研究滑移弧非平衡等离子体的特性,利用光谱仪对滑移弧氩等离子体的光谱特性进行了分析。实验结果发现,在紫外波段(波长300～400nm)与红外波段(波长745～930nm)滑移弧等离子体的谱线较强,其中在紫外波段含有大量分子谱系,在红外波段氩原子谱较强。利用N2分子谱来估算等离子体的重粒子温度,结果约为1 700K;根据实验测得的氩原子谱线强度,可获得等离子体的电子温度约为0.999eV、电子数密度约为9.4×1014 cm-3。因此,滑移弧氩等离子体基本处于非热平衡态,且处于10个2p(Paschen符号)能级上的氩原子密度分布偏离Boltzmann分布。