大气压氩气纳秒脉冲针—水结构气液放电特性研究北大核心CSCD

为了在提高放电等离子体活性的同时保持较为稳定的放电,文中利用纳秒脉冲电源驱动大气压氩气中针—水结构气液放电,研究了不同脉冲电压和频率下的放电电学特性、发光图像和发射光谱强度,并讨论了相关参数对放电特性的影响原因。结果表明:在氩气纳秒脉冲气液放电中,脉冲电压和频率不会对放电模式产生影响。随着脉冲电压的增大,上升沿电流、下降沿电流和平均功率均增大,且上升沿电流总是大于下降沿电流;当脉冲频率增大时,上升沿电流和平均功率增大,下降沿电流逐渐减小。等离子体特性方面,在不同脉冲电压和频率下均测到了较强的Ar(4p→4s)、H(656 nm)和O(777 nm)谱线和较弱的H(486 nm)谱线,并且4种激发态活性粒子的发射光谱强度均随着脉冲电压和频率的增大而增大。     

纳秒脉冲表面滑闪放电的电气和光学特性

为了研究纳秒脉冲表面滑闪放电特性,本文采用一种新型三电极结构的激励器,通过纳秒脉冲叠加负直流的混合激励模式产生表面滑闪放电。实验研究了电压脉冲分量、电压直流分量及两者的差值对纳秒脉冲表面滑闪放电特性的影响。实验结果表明,当脉冲电压幅值固定时,直流电压幅值的改变对脉冲侧电流的影响较小,但对直流源侧电流却影响显著,直流源侧电流随直流电压幅值的增加而增加,发生表面滑闪放电后峰值和速度均增加。直流电压幅值越大,直流源侧电流出现时刻越早。当直流电压幅值固定时,脉冲侧电流和直流源侧电流均随着脉冲电压幅值的增加而增加。实验中存在一个电压阈值(脉冲分量和直流分量电压差值)使纳秒脉冲表面滑闪放电发生,该阈值为22k V。此时发生表面滑闪放电,瞬时功率峰值、单脉冲能量峰值和稳态能量均迅速增加。脉冲直流电压差值相同时,脉冲分量主导脉冲侧电流的大小,直流分量主导直流源侧电流的大小,脉冲分量所占比例的大小对功率和能量损耗的影响较大。此外,利用数码相机拍摄放电图像研究了纳秒脉冲表面滑闪放电的光学特性,放电图像表明,在电极间施加合理的脉冲电压和负直流电压均可产生表面滑闪放电,实现等离子体的拉伸效果,在阻挡介质表面获得大面积的等离子体。     

新颖的高气压微放电结构的研究

介绍了微空心阴极放电(MHCD)的特点,根据MHCD的基本结构给出了一种“平面阴极-微空心阳极”放电结构,并在该基础上设计了一种新的放电结构:它的阳极为“金属针,”它的阴极由“平面阴极-微空心阳极放电”构成,整个系统构成一个“针-孔”自持的辉光放电。主要进行了空气放电实验,单个“平面阴极-微空心阳极放电”能够在大气压下产生稳定的直流辉光放电,多个“平面阴极-微空心阳极放电”能够在高气压下稳定地并联运行,而不需要个体镇流电阻,它们的伏安特性曲线在整个放电区域都具有正的微分电阻特性。“针-孔”自持的辉光放电也能够在高气压下产生大体积辉光放电空气等离子体,等离子体的电子密度估计在1011～1012cm-3之间,测得的伏安特性曲线在整个放电区域也具有正的微分电阻特性。它产生的高气压大体积高电流密度辉光放电等离子体,能够应用于工业上的多种等离子体加工中,也能够用作Pseudospark高压开关的触发设备。     

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。     

大功率伪火花放电开关触发电路的设计

伪火花放电开关的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关放电室的设计,而且对开关的工作电压范围,工作频率和使用寿命有很大影响。伪火花开关及其触发设计的最主要特征在于它的空心阴极结构,空心阴极的存在既是伪火花间隙放电的先决条件,又为开关的触发单元提供必要的空间和可靠的保护屏障,使得触发部件不受主放电等离子体电流的冲击和烧蚀。笔者提出了伪火花开关触发设计的技术要求,总结了现有伪火花放电开关的触发方法,并对它们的触发效果进行了比较,重点介绍了脉冲辉光放电(脉冲空心阴极)触发和表面放电触发及其发展。     

真空电弧等离子中提取重频电子束的实验研究

为满足高功率微波辐射源对电子束的长脉宽高重频要求,文中提出了一种从小电流真空直流电弧等离子体中提取重频电子束的装置,该装置放电部分阴极采用铜圆盘电极,阳极为圆筒型空心阳极结构,其底部覆有不锈钢金属网,顶部开圆形引出孔。设计了以DSP为控制核心、MOSFET管为主功率器件的低压脉冲提取电源,从空心阳极真空电弧等离子体阴极中提取电子束。同时,利用自触发电路解决了直流电弧灭弧后立即重燃问题,有效保证了电弧放电的持续放电时间和稳定性。实验结果表明:电子束脉冲频率和占空比受到提取电压的调制,得到了连续可调的电子束脉冲;在一定范围内电子束电流大小随着提取电压的增加而增大,并存在一个饱和极限,最大束流接近1 A;同时提取电压过高的脉冲频率和脉宽不利于电子束电流的稳定。     

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。     

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。     

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。     

多级多通道气体火花开关的同步放电特性

具有广阔应用前景的气体开关是快脉冲直线型变压器(LTD)这种新型初级储能脉冲功率源的关键部件,为提高其工作性能,对多级多通道气体开关多路同步放电特性进行了初步的实验研究。在优化设计标称电压200kV多级多通道气体火花开关的电极支撑结构后采用绝缘子内抠槽平面支撑结构,使用圆环形凸面结构电极代替圆环形平面电极。利用电磁场分析软件计算开关的电场分布表明:直流高压作用下,开关各间隙电压分布较均匀;触发脉冲作用下触发间隙电场畸变明显。10只开关的同步放电实验研究结果表明,10只气体开关的自击穿特性和触发特性有一定个体差异,其中5只开关并联放电同步性能良好,输出电流脉冲能有效叠加;工作气体为0.14MPa氮气,正负充电60kV,5只开关并联放电,能够产生上升沿约100ns,峰值约100kA的电流脉冲。     

大气压氩等离子体射流特性

为了在大气压下获得均匀、稳定且具有较大体积的氩气介质阻挡放电等离子体射流,提出了一种新的同轴型具有螺纹型内电极结构的等离子体发生器结构设计,在大气压开放环境下获得了均匀稳定的类辉光氩气介质阻挡放电等离子体射流。实验和初步的零维数值模拟结果表明:在所研究的工作参数范围内,放电随外加电压的增加可工作于初始放电阶段、过渡阶段、稳定放电和不稳定放电阶段;在稳定放电模式下,均匀弥散的类辉光放电可充满内径为8.9mm的玻璃管,发射光谱测量结果表明在等离子体射流区含有多种化学活性粒子;数值计算和实验测量所估算的等离子体射流长度基本一致(可为30mm以上),且等离子体射流发射光谱强度的轴向分布与其中亚稳态粒子的退激发过程相关。     

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。     

A plasma device for increasing the hydrophilicity of paper products

The treatment of various materials using low-temperature gas–discharge plasma to clean their surface or change their structure is rather promising because of the generation of particles that react with molecules of impurities or base material. In addition, the molecules of the surface layer of material are exposed to the influence of ultraviolet and soft X-ray radiation generated in the cathode layer of the discharge. Only the volumetric gas–discharge can guarantee a high degree of uniformity of the material surface treatment. To increase the intensity of the plasma-chemical reactions, it is effective to increase the frequency of the supplied voltage of a discharge reactor or to use the pulse–periodic power-supply mode. The pulse frequency should be coordinated with the typical frequency of the plasma chemical reactions. Experimental installations that have a discharge reactor as their main element showed successful performance for the modification of the volumetric structure of a thin paper tape to increase its hydrophilicity.     

μs脉冲等离子体气动激励特性的实验研究

等离子体气动激励特性的测试诊断是揭示等离子体流动控制物理作用机制的重要基础。为此,主要在常规大气环境条件下,对μs脉冲等离子体气动激励特性进行电、光谱和流动特性的综合测试诊断实验研究。实验结果表明:μs脉冲放电的本质是丝状放电,在一个周期内,放电集中在正电压脉冲和负电压脉冲的上升沿;随着激励电压幅值增大,发射光谱强度增大,但表征电子温度和密度的典型谱线比变化不大;在放电的起始阶段,等离子体气动激励诱导了启动涡,启动涡随后发展成近壁面射流;激励电压和脉冲重复频率越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;μs脉冲等离子体气动激励为非定常激励,消耗的功率比激励电压波形为连续正弦波时减小约30%,对于等离子体流动控制研究更为有益。     

两间隙毛细管等离子体发生器出口参数研究

消融放电毛细管等离子体发生器产生的等离子体射流具有高密和相对低温的特性,在许多科学研究和工业应用领域都具有潜在的应用前景。为此,利用数值模拟的方法考察了在1 kJ放电能量水平下两间隙毛细管的长度和半径、主放电电容器组的电容和起始充电电压等放电参数对毛细管出口参数的影响。研究表明,各放电参数的改变都能引起出口处的质量密度、压强的大幅度改变,而出口温度和出口速度相对保持稳定。其中,主放电电容器组充电电压、电容值增大、毛细管半径变小时,所有的出口参数都相应增大;而毛细管长度增大时,密度和压强随之增大,温度和速度反而减小。     

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。     

高密封性等离子体发生器一致性实验研究

毛细管放电等离子体发生器是电热化学炮中的关键部件,其工作特性直接影响着等离子体的点火效果。发生器工作的一致性则是实现发生器输出优化的基础,也是实现电热化学炮优势的重要保障。为验证并优化发生器的工作一致性,以放电中的电参数与射流压强作为表征参数,对一种典型的等离子体发生器设计结构开展了相同条件下的重复性实验。结果显示发生器不同次实验的输出特性一致性较差,且实验后的发生器中可见明显的烧蚀痕迹与大量炭黑。实验结果表明发生器内部密封性不足是造成输出不一致性的最主要原因。针对这一问题,设计了一种特殊截面的电极结构以增强发生器的密封性,验证性实验结果显示改进的发生器方案可明显改善发生器的内部密封性与工作一致性。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

Pulse current generator for driving tubular field emission lamp based on DCM flyback converter

This paper proposes a pulse current generator operated in discontinuous conduction mode for driving a tubular field emission lamp (TFEL). The proposed system based on flyback topology can provide pulse power driving to eliminate the temperature rise and arcing phenomenon caused by the traditional constant voltage driving. Therefore, both the lighting efficiency and lamp lifespan are improved. In this paper, an equivalent model of the TFEL is constructed to exhibit its capacitive characteristics. Moreover, the circuit configuration and each operation mode in a switching cycle are also described. And then a complete design considerations and mathematical model are discussed in detail. All the experimental results agree with the computer simulations to verify the theoretical predictions. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

地铁直流电缆放电在线检测中干扰信号的研究

为解决地铁直流电缆电气接线的特殊性而导致其放电检测中存在的大量干扰信号,实验研究了整流装置产生的整流脉冲、机车启动制动产生的电流脉冲、随机性脉冲信号及其它电子设备产生的窄带信号等干扰信号的特征。研究表明,并联的被测电缆上均存在很好的整流脉冲干扰周期性和规律性;窄带干扰和机车反馈电流脉冲干扰幅值大但其频谱较低(<2MHz);随机脉冲干扰信号虽具有不确定性,但其重复率与电缆放电的重复率存在数量级差别。根据干扰信号特征提出了可行的抗干扰措施,为检测地铁直流电缆放电奠定了基础。