大气压微等离子体放电特性研究

通过减小电极孔径到微米量级来实现高气压甚至大气压放电的现象已成为研究热点。笔者利用不锈钢空心针作为放电阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压微等离子体放电实验研究。实验测量了大气压微放电的伏安特性曲线。实验发现,大气压直流微放电存在不同的放电模式:空心阴极放电和反常辉光放电,随着电流的增加,放电越来越强烈。实验研究了放电电压随压强和气体流量的变化关系。结果显示,随着体系压强的增加,电离过程增多,放电电压逐渐降低。随着流量的增加,气体流动状态由层流状态逐渐过渡到紊流状态,引起放电电压先降低后增加。     

大气压液体阴极等离子体的电学特性

大气压液体电极放电是近年来兴起的一种产生大气压等离子体的新方法,此方法因为结构简单、成本低廉、操作方便等优点而具有广泛的应用前景。为此,采用水平面为放电阴极、金属棒为放电阳极,产生了大气压辉光放电等离子体;试验测量了放电等离子体的伏安特性,表明放电发生在反常辉光放电模式,在40～100mA范围内,随着放电电流的增加,放...     

低气压氩气空心阴极放电自脉冲特性

为了进一步提高空心阴极放电的稳定性,揭示空心阴极放电自脉冲现象的形成机理,利用柱型空心阴极放电装置,在低气压氩气环境下研究了空心阴极放电的自脉冲现象。测量得到了放电的伏安特性曲线、放电发光图像、自脉冲电流和电压的时间演化特性,以及气压、电流、外部限流电阻等对自脉冲的影响。研究结果表明,自脉冲放电出现在空心阴极放电的负阻特性阶段,并具有稳定的频率(几kHz到几十kHz);自脉冲的形成时间<10μs,而衰减时间为几十μs,其频率随平均电流的增加而线性增大。此外,外部串联限流电阻对自脉冲产生范围有重要影响,随着外加电阻值的升高,能够产生自脉冲的上限平均电流升高,下限平均电流降低,但是不会对自脉冲产生机理产生影响。     

孔阳极大气压直流辉光放电研究

为得到一种简单可靠的大气压直流辉光放电方式,并提高直流辉光放电在织物表面处理领域的实用性,提出了一种孔阳极辅以轴向气流的直流大气压辉光放电装置。实验并记录和讨论了放电图像和放电电流波形,还根据约化伏安特性曲线确定了辉光转化的阈值电压。结果表明孔阳极与轴向气流配合可有效消除辉光放电的不稳定性,产生稳定的大气压直流辉光。另外,考察了放电发射光谱和电极轴线上的光强分布,并确认光强分布具有典型的辉光特征。     

纳秒脉冲触发的阵列微空心阴极放电特性

阵列微空心阴极(MHC)是一种在同一个阴极结构上加工多个微孔形成微孔阵列,实现大面积高电子密度的放电微等离子体结构。相比直流触发模式,纳秒短脉冲触发阵列微空心阴极,可以显著地减少直流触发时的电流热负荷效应,提高放电电流和放电能量。本文利用自行研制的纳秒脉冲电源,实现对阵列微空心阴极在氩气下进行脉冲放电,研究其脉冲条件下的放电特性;其次,研究其在纳秒脉冲下多孔阵列的同步放电问题,并通过加入预触发结构,有效改善其同步特性;最后,利用光纤式发射光谱仪进行氩气下氩发射光谱测量,并对纳秒放电等离子体进行光谱诊断。     

电极间距对空腔阴极自脉冲放电影响的机制

为了进一步揭示空腔阴极自脉冲放电特性和机理,利用槽型空腔放电结构实验研究了阴极和阳极间距对自脉冲放电特性的影响。同时利用流体模型模拟研究了空腔阴极放电击穿阶段的微观动力学过程。结果表明,自脉冲放电过程中存在明显的负微分电阻现象,自脉冲频率随着平均电流的增加近似线性增加。阴极和阳极间距对自脉冲放电特性有一定影响。随着阴极和阳极间距的增加,极间平均电压和自脉冲频率增高,电流峰值减小,自脉冲电压峰值和最低值增高,自脉冲上升沿时间增长。电流最低值基本不随极间距的变化而变化。模拟结果表明,自脉冲放电为由位于孔口位置处的低电流、低电子密度、轴向电场为主放电模式,向孔内放电为主、较高电子密度、径向电场为主放电模式的周期性转换过程。空腔阴极自脉冲放电为净正空间电荷层或者说是虚拟阳极由孔外向孔内再移到孔外,强度先增强后减弱再增强的一个反复过程。阴极和阳极间距越小,阳极对腔内放电影响越明显,腔内放电更强烈,电流峰值越高。另外,研究结果表明,放电单元的等效电阻值主要由放电空间电子密度决定:电子密度越高,等效电阻越低。     

辉光放电正柱区对中空阴极放电相似性的影响

为了进一步理解中空阴极放电的相似性问题,对辉光放电正柱区是否破坏中空阴极放电的汤森相似性进行了研究。选定2组平行平板几何相似气隙(比例系数k=2),进行氩气辉光放电实验。通过提高气压来逐渐增加正柱区的长度,发现这2个几何相似气隙的辉光放电伏安特性曲线始终重合。基于二维流体模型,数值模拟了上述实验中的辉光放电,发现这2个辉光放电的各对应物理参数始终满足相似放电规定的比例关系。通过理论分析和推导,发现辉光放电正柱区所有的双极性扩散过程是相似放电的允许过程。最后给出结论:辉光放电正柱区可能不是破坏中空阴极放电(hollow cathode discharge,HCD)的汤森相似性的原因。     

槽型空心阴极放电特性的模拟

为进一步揭示槽型空心阴极放电的放电机理,利用流体-亚稳态原子传输模型模拟研究了槽型空心阴极放电等离子体参数的时空分布特性。模拟得到了不同时刻槽型空心阴极放电中电势、电子密度、电场场强和电离速率等的分布特性。结果表明槽型空心阴极放电在不同时刻处于不同的放电模式,即初始放电阶段为Townsend放电模式,此阶段以轴向放电为主;第2阶段为放电由槽外向槽内发展阶段,此阶段电场场强由轴向向径向转换;第3阶段为形成空心阴极效应放电模式阶段,此阶段逐渐形成稳定的阴极鞘层结构;第4阶段为稳定放电阶段,放电参数不随时间发生变化。研究结果为进一步分析空心阴极放电的时间发展特性提供了参考。     

等离子体表面处理与大气压下的辉光放电

与传统的方法相比,等离子体处理的高效、无毒、节能特性使得它在表面处理和灭菌消毒方面有着很好的应用前景,在上述工业领域,“经典”的大气压放电诸如电晕放电、介质阻挡放电以及电弧放电都不适用。然而,尽管低气压下的辉光放电已得到了很好的发展,大气压下辉光放电的实现还存在一些困难。目前,对大气压下辉光放电物理过程的探索集中在其物理机制、图像捕获以及大气压下空气中辉光放电的实现方面。     

大气压反常辉光放电特性

为研究大气压反常辉光放电的特性,用50 Hz交流电驱动1:500的高压变压器产生稳定的大气反常辉光放电,并利用示波器对其作了测量。维持稳态放电的典型参数为电压400~850 V,电流60~110 mA,其伏安特性曲线表明放电处于反常辉光区。当放电的原始驱动电动势取为余弦波形时,放电端电压呈方波形,放电电流呈正弦波形。对放电过程的电路分析表明,高压变压器次级线圈固有的高感抗产生的负反馈避免了放电进入弧光区,由于电路的感抗特性,余弦电动势驱动了正弦形放电电流。而等离子体电阻对放电电流的非线性响应使得放电端电压呈近似方波形。估算得到放电通道中电子平均温度和电子密度分别为2.73 eV和3.45μm-3。用热电偶测得等离子气体温度为700~900 K。该种等离子体相对于其它冷等离子体具有较高的等离子体气体温度和能量密度,更适宜于一些化学气相反应。     

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。     

大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的光学演化过程

为研究大气压介质阻挡多脉冲辉光放电的模式转化规律及其放电机理,在6mm氦气中进行了3脉冲辉光放电试验,测量了相应的电气参数,并利用增强型电子耦合器件(intensified charge-coupled device,ICCD)拍摄了放电间隙侧面的短时曝光图像,提取放电图像的灰度值并绘制出光强在气隙间的分布曲线,按放电图像特征将放电分成不同阶段,系统研究了各个阶段的放电模式及其转化规律,并探讨了放电的机理。结果表明:放电起始阶段具有汤森放电的阳极发光结构;空间电荷的作用使得放电从开始的汤森放电转化为具有完整的正柱区、法拉第暗区和负辉区的辉光放电;放电电流脉冲之间微弱的发光特性仍具有辉光放电结构,有力证明了放电并未熄灭,而是维持着较弱的辉光放电。     

Bright idea, radio-frequency light sources

The idea of radio frequency (RF) lighting, as well as the first RF lamp patent, appeared long before the first fluorescent and high-pressure lamps came onto the market. It took over a century for the first commercial RF lamp to appear, introducing a new era in the production of light. Progress in semiconductor power switching electronics, along with a more thorough understanding of fundamental processes in RF plasmas, have resulted in commercially viable RF light sources. RF light sources follow the same basic principles of converting electrical power into visible radiation as conventional gas discharge lamps. The fundamental difference between RF lamps and conventional lamps is that RF lamps operate without electrodes (anode and cathode). This has profound consequences on RF lamp characteristics and features. We consider different kinds of RF discharges and their advantages and restrictions for lighting applications. We also describe examples of successful realizations of different kinds of RF lamps     

大气压下辉光放电的产生

阐述了产生大气压下辉光放电的几种方法。在直流电场中,通过改变阴极的结构,抑制了辉光放电向弧光放电的过渡,从而实现大气压下辉光放电;在交流电场中,利用介质阻挡层和高频激励源,可获得稳定均匀的大气压下辉光放电。     

大气压氦气多脉冲辉光放电径向光学演化过程

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)的径向演化及其影响因素对研究低温等离子体的机制具有重要的参考价值。采用铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)透明电极,进行了大气压氦气介质阻挡三脉冲辉光放电试验,利用增强型电子耦合器件(intensified charge-coupled device,ICCD)拍摄放电的侧面短时曝光照片来诊断放电模式,拍摄放电的底面短时曝光照片并绘制其发光灰度值在电极表面的三维分布图来研究放电的径向演化过程。结果表明:放电首先在圆形电极的边缘区域发生,逐渐向电极中心发展,最后又转向电极边缘并逐渐减弱;随着电流脉冲次序的增加,放电在电极中心发展越来越充分;电极结构的限流作用同外施电压和介质表面电荷一样,对径向位置上不同时刻的放电演化过程起着重要作用。     

中频正弦电压下大气压氦等离子体射流的产生机理

为了探讨He大气压等离子体射流(APPJ)的产生机理,采用增强型电荷耦合元件(ICCD)分别拍摄HeAPPJ的纵截面和横截面图像发现,He在17kHz中频正弦外施电压下正负半周的APPJ图像不对称,在正半周电压下,He APPJ以空间流光的形式向石英管口传输,至石英管外转换为沿He/Air界面传输的沿面放电;而在负半周电压下,He APPJ传播较正半周下短,为一种典型的存在于He气流中的电晕放电现象。研究APPJ长度与管内介质阻挡放电(DBD)放电模式的关系发现,随着外施电压的升高,DBD放电将依次呈现出"倍周期"、"混沌"、"流光-辉光过渡"、"非对称辉光"、"对称辉光"和"辉光+丝状"等6种模式,各个模式的放电电流波形具有不同的特征,等离子体羽流长度并不是单纯地随着外施电压增大而增长的量,而是放电所产生的He激发态粒子浓度与放电对气流的扰动两方面共同作用的结果。     

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。