微秒脉冲大气压氦气等离子体射流阵列特性

为了深入研究等离子射流阵列的放电特性,利用上升沿1μs、脉宽2μs的微秒脉冲电源产生等离子体射流,通过电压电流波形的测量和发光图像的拍摄,研究了在针-环双电极结构下,不同电极位置以及不同重复脉冲频率下氦气等离子体射流阵列的放电特性。实验结果表明放电最初产生在阵列的两端,随着外加电压幅值的增加,中心管也会有射流产生,最终形成射流阵列。随地电极距管口距离的变远,放电电流和中心管的射流长度均呈现出先增大后减小的变化趋势(20mm处取得最大值),随着重复脉冲频率的增大,放电由不均匀的丝状放电向均匀放电转变,放电电流先减小而后保持不变。     

脉冲放电破岩等离子体通道长度预测方法

针对高压脉冲放电破岩电弧等离子体通道长度难以预测的问题,构建了高压脉冲放电破岩综合试验平台,测量了花岗岩-自来水组合介质下电弧等离子体通道发展特性及典型电流、电压参数,提取了不同电极间距和脉冲放电次数下岩石表面形成的破碎区域。基于能量平衡方程建立了岩石中电弧等离子体通道的阻抗模型,采用迭代优化算法获取阻抗模型参数的近似最优解,模型计算结果与试验结果的相对误差小于7%。基于优化参数,利用实测电流电压数据预测了等离子体通道的长度。模型预测的等离子体通道长度与实测值的绝对误差均处于毫米量级,且两者的相对误差小于10%,为高压脉冲放电破岩系统电源-电极负载的匹配设计提供了理论支撑。     

小型高压重复频率微秒脉冲电源及其放电应用

针对实验产生等离子体的需求,研制了一种高压微秒脉冲电源,输出电压最大值为30kV,上升沿最小为300ns、脉宽0.5μs。测试结果表明电源的输出特性由负载决定,同时调节输入电压、触发脉宽可以改变电源的输出脉冲。研究了针-针放电负载时,电源重复频率以及针针间隙对于放电模式的影响,并通过研究电源输出随负载的变化来区别不同的放电模式,最后把电源成功应用于介质阻挡放电。     

大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究

利用上升沿100ns、脉宽150ns的单级磁压缩纳秒脉冲电源,通过电压电流测量和放电图像拍摄实验,研究了大气压空气中极不均匀电场结构重复频率纳秒脉冲气体放电的放电模式。结果表明纳秒脉冲气体放电存在三种典型的放电模式:电晕放电、弥散放电和火花放电。施加的脉冲电压幅值对放电模式影响显著,随着电压幅值的增加,放电依次经历电晕、弥散和火花放电。固定电压幅值时,放电可能同时存在两种模式。重复频率加强了放电强度,弥散放电的激发电压随重复频率的增加变化不大,但火花放电的激发电压随着重复频率的增加而降低。因此降低重复频率有利于在较大电压范围获得大气压空气弥散放电。     

用于聚四氟乙烯表面处理的重复频率高压脉冲电源

采用自行研制的μs级重复频率高压单极性脉冲电源,应用于聚四氟乙烯(PTFE)膜表面改性,研究脉冲放电等离子体对PTFE薄膜表面改性的作用规律。测量处理前后PTFE薄膜表面的水接触角,结果显示,在特定的脉冲参数及更严格的对比条件下其平均水接触角从112°下降到85°,PTFE薄膜表面亲水性改善效果非常显著。脉冲电源采用脉宽调制控制方式,通过逆变升压及波形整形,得到脉冲电压幅值0~20kV、重复频率0~20kHz、脉宽5~15μs、上升沿500ns~2μs、下降沿大于20μs的单极性脉冲。     

PPCP用固态脉冲电源的实验研究

 介绍了一种采用半导体开关与磁开关、可饱和脉冲变压器相结合技术的固态脉冲电源，此电源可用于脉冲放电等离子体烟气治理。在理论分析的基础上建立了实验模型，通过实验验证了此类电源的可行性，解决了8支晶闸管开关串联的动静态均压及开通同步性问题，并对可饱和脉冲变压器及磁开关的工作特性进行了分析计算。电源在阻性负载上得到峰值电压37.5 kV、前沿101 ns、脉宽1 μs的脉冲，重复频率300 Hz，输出功率10 kW。     

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采用纳秒脉冲电源,在静止空气条件下,开展了不同气压、放电距离和电压条件下的大体积纳秒脉冲放电实验研究.研究表明,当长度固定为200mm时,气压为250Pa时,随着电压的增大,放电区域从圆锥电极附近扩展到整个通道.当电压为12kV时,放电布满整个通道;随气压升高,初始放电电压增大.实验中发现在电压升高到一定程度时纳秒脉冲电离出现不稳定性,表现在气压相对较低时等离子体出现径向波动,气压相对较高时非平衡等离子体放电向电弧放电转变.分析认为,为了实现大体积均匀放电等离子体的产生,阻止放电不稳定性发生,应该采用上升沿时间更短,脉宽更小,电压更高的纳秒脉冲电源.     

小型空心阴极等离子体电子枪实验

基于空心阴极效应和低压辉光放电原理,设计了一种小型空心阴极等离子体电子枪并进行了实验研究,在低气压下获得了稳定的空心阴极辉光放电,测量电子枪放电结果表明:在空心阴极中加入灯丝热子可明显降低放电气压;电子束电流的大小随放电电压增大而增大,受气体气压影响较小;在气压2Pa,放电电压10kV,脉宽4μs脉冲下放电,可得到脉宽为2μs,电流为600mA的电子束。     

高电流低气压等离子体阴极电子枪设计与实验

 设计了一种新型的高功率低气压等离子体电子枪。基于空心阴极效应和低压辉光放电原理与经验，确定了空心阴极、加速间隙、工作气压范围等。提出关于等离子体阴极电子枪产生高功率、高密度电子束源的整体方案。分别在连续馈气和脉冲馈气条件下进行实验测试，得到放电电流、收集极电流与气压、脉宽及调制器电压的关系。实验获得电子枪的典型放电电流为150~200 A，脉宽60 μs；传输电子束达到30~80 A，脉宽60 μs。该结果表明该新型等离子体阴极电子枪可以取代材料阴极作为大电流、长脉冲电子束源，特别适用于等离子体加载微波管。     

不同条件下大气压脉冲弥散放电特性

利用上升沿约0.5 s、半高宽约6 s、幅值可达40 kV的微秒脉冲电源和上升沿约150 ns、半高宽约300 ns、幅值可达50 kV的纳秒脉冲电源激励大气压弥散放电,并分别采用刀型和锯齿电极放电。通过电压电流测量和发光图像拍摄,改变施加电压种类、脉冲重复频率、高压电极结构和气隙距离等参数,研究了不同条件下弥散放电特性。实验结果表明:纳秒脉冲电源和微秒脉冲电源均能在大气压空气中激励大面积的弥散放电,弥散放电面积最大达90 cm2;放电的均匀性受脉冲参数与电极形状影响显著,其中刀型电极条件下纳秒脉冲激励的弥散放电均匀性最佳;相同条件下纳秒脉冲弥散放电的瞬时功率大于微秒脉冲弥散放电,最高可达275 kW,而纳秒脉冲弥散放电的能量小于微秒脉冲弥散放电;保持其他条件不变,弥散放电传导电流幅值随着气隙距离的增加而降低,放电强度随着脉冲重复频率的增加而增强,弥散放电的工作电压范围随着脉冲重复频率的增加显著降低。因此在低频、刀型电极结构中易于获得均匀与较大工作电压范围的大气压弥散放电。     

气流对微秒脉冲滑动放电特性的影响

脉冲电源驱动的滑动放电能够在大气压下产生高能量、高功率密度的低温等离子体. 为了研究微秒脉冲电源在针-针电极结构中产生滑动放电的特征, 本文采用电压幅值为0–30 kV, 脉冲宽度约8 μs, 脉冲重复频率为1–3000 Hz的微秒脉冲电源, 通过测量电压、电流波形和拍摄放电图像, 研究了微秒脉冲滑动放电的电特性. 实验结果表明, 随着施加电压的增加微秒脉冲滑动放电存在三种典型的放电模式: 电晕放电、弥散放电和类滑动放电. 不同放电模式的电压、电流波形和放电图像之间差异显著. 脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性有影响, 表现为当气体流量较小(2 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐集中, 而当气体流量较大(16 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐分散. 不同气流下重复频率对滑动放电特性的影响与放电中粒子的记忆效应和气流的状态有关.     

高速时空分辨光谱仪的构建及其在水中纳秒脉冲火花放电光谱诊断中的应用

近年来对水中高压脉冲放电等离子体特性的诊断研究越来越受到重视。测量单个放电脉冲放电等离子体的时间-空间分辨发射光谱,有助于研究水中脉冲放电等离子体的时空演化动力学特性和规律。在本研究中将四分幅超高速相机和单色仪结合,构建了一种跟踪单个放电脉冲的高速时空分辨光谱仪,开发了相应的光谱分析软件。用波长632.8 nm的He-Ne激光器,在1 200 g·mm-1刻线光栅条件下对光谱仪的性能进行了测试。结果表明：对应He-Ne氦氖激光632.8 nm谱线的像素分辨率为0.013 nm。在曝光时间20 ns时,单色仪狭缝宽度0.2 mm时632.8 nm谱线的仪器展宽为(0.150±0.009)nm,仪器展宽随着狭缝宽度的增加呈现增大趋势。曝光时间的变化不会引起仪器展宽的变化,能够确保在调节相机曝光时间的过程中不影响光谱仪性能。利用该高速分辨光谱仪对水中纳秒火花放电发射光谱进行了测量,单次曝光获得了单一脉冲放电等离子体时空演化光谱。今后进一步完善实验室的电路条件消除放电干扰,可以对单个放电脉冲进行更细致的测量,为研究单个放电脉冲等离子体参数的时空演化特性提供良好的技术手段。     

超高速大电流半导体开关实验研究

 利用自行研制的固态半导体开关RSD，采用电容储能方式，研究了RSD的电压响应时间、大电流特性、电流上升率等。在测试RSD的电压响应时间时，得到了25 ns的电压下降曲线。在主电容电压为8 kV时，得到峰值为10.1 kA、脉宽为34 μs、电流上升率为2.03 kA/μs的大电流脉冲。通过调整主电路，在主电容为3 kV时，得到的电流脉冲峰值为8.5 kA、脉宽为2.5 μs、电流上升率为7.2 kA/μs。结果表明，RSD是一种开通快、通流能力强、电流上升率高的大功率半导体开关器件。     

开关火花电阻对脉冲前沿的影响

 分析气体火花开关的电阻特性是研究开关能量损耗、电弧通道的热等离子过程、开关间隙绝缘恢复及输出脉冲特性的重要基础。基于气体开关的导通机理,建立了开关导通工作的电路模型,给出了与形成线、传输线联通的开关等效电路和开关电流表达式,分析了开关电感、电阻对电流增长（脉冲前沿）的影响。研究结果表明：对于大间距、高电压气体开关,火花电阻是影响开关输出脉冲前沿的主要因素。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。     

双极性脉冲磁控溅射电源设计

双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源,分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电;综合应用FPGA,PLC及触摸屏组成人机交互系统,控制输出光脉冲信号,经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证,该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题,达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

氢化物发生原子荧光光谱分析中的微秒脉冲供电空心阴极灯激发光源

利用实验室研制的大电流微秒脉冲(HCMP)电源对As,Se,Sb,Pb空心阴极灯(HCL)供电,研究了HCMP-HCL的发射光谱、电学性质、荧光光谱,评估其作为氢化物发生原子荧光光谱(HG-AFS)激发光源的可行性。HCMP供电As,Se,Sb,Pb HCL可在脉冲频率100～1 000 Hz、脉冲宽度4.0～20 μs、最大峰值电流4.0 A下维持稳定放电;研究了HCMP-HCL特征谱线发射强度与脉冲电流、供电电压、脉冲频率、脉冲宽度等供电参数之间的关系;与目前商品常规脉冲供电(CP)的HCL相比,HCMP-HCL的供电脉冲宽度更窄、峰值电流更高。在优化的HCMP供电参数下,As,Se,Sb HCL发射光谱中的原子线强度有较大幅度提高,可能用作HG-AFS新型激发光源,而Pb HCL发射光谱中的离子线强度增强、原子线强度降低,不适合做HG-AFS激发光源。以HCMP供电As,Se,Sb HCL为激发光源的HCMP-HCL是一种极有发展前景的HG-AFS新型激发光源。