介质阻挡放电及其应用

为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。首先提出了只有拍摄曝光时间为10 ns左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用—大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。     

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。     

空气条件下介质阻挡放电影响因素的研究

为了解决低气压等离子体用于工业生产时存在真空系统昂贵和难以实现试品的批量处理等缺点,采用环氧树脂和聚四氟乙烯(PTFE)作为介质阻挡放电(DBD)的阻挡介质,探讨了在不同放电间距d(2-5 mm)、气压p(10-100 kPa)和外施电压U下的放电特性。结果表明,PTFE为阻挡介质,d≤3 mm时,在大气压下可利用DBD的形式产生辉光放电,当d>4 mm时,则不能得到稳定的DBD;在不同气压下,DBD稳定放电对应的电压区间范围在d为3 mm时最大;次大气压下辉光放电的特征较大气压下更明显,辉光放电更易获得,稳定放电的电压区间也更大。     

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。     

介质阻挡放电中的紫外线预电离

为解决大气体下尤其是空气辉光放电产生等离子体的困难,通过采用脉冲火花放电产生的紫外线对介质 阻挡放电预电离试验研究了紫外线预电离对降低空气击穿场强、“点燃”主放电的作用和气压与主放电频率对预电 离的影响;探讨了与气体流动等条件相结合,用预电离方法实现大气压下空气中辉光放电的可能性。     

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。     

大气压下的辉光放电

综述了大气压下辉光放电的研究现状 ,介绍了产生大气压下辉光放电可能的途径 ,分析了现存的问题 ,提出了今后应加强研究的方向     

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.     

大气压空气辉光放电

重点论述了大气压下辉光放电的研究现状、诊断方法和放电机理,探讨了大气压下空气间隙(>2mm)实现辉光放电的可行性,提出用降低放电电场强度的方法有可能实现大气压下较大空气间隙辉光放电.     

正弦激励的大气压空气放电过程和作用机制

为了从机理上研究大气压介质阻挡表面放电,采用数值方法模拟了正弦激励下的放电过程,得到了随时间变化的电子浓度、离子浓度、电场、电极电流以及体积力,分析了放电电流特征,发现等离子体放电起动时的伪辉光-辉光-丝状放电模式转换过程,电子雪崩不对称-电场不对称-体积力不对称是正弦激励产生单向体积力的机理,"推-拉"机制为等离子体流动控制的作用机制,而负半周期诱导速度更大的原因在于粒子惯性延迟。最后,提出了一个初步的电势优化波形。     

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。     

Generation and control of electrolyte cathode atmospheric glow discharge using miniature gas flow

Stable electrolyte cathode atmospheric DC glow microdischarges were generated by using a miniature helium gas flow from a nozzle electrode in air. We developed two schemes to control the temporal evolution of the discharge and the interaction between the discharge column and the ambient air. The vaporization of electrolyte solutions takes place and affects the discharge characteristics. This takes time from the start of the discharge. Therefore, the discharge was controlled by applying pulse‐modulated DC voltages. If the voltage was dropped down to zero before the vaporization, the gas discharge developed without the ionization of the solution components. A helium gas discharge without air developed when the nozzle electrode was placed in a glass capillary. This was confirmed by examining the change in pH of the solution, which usually decreased owing to the generation of nitrogen oxides in the discharge in air. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 178(4): 8–15, 2012; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21222     

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。     

锂电池正极材料CuCrO_4的合成及表征

采用沉淀方法制备了一次锂电池CuCrO4正极材料。电化学性能测试结果表明:该材料以10mA/g的电流密度放电到1.5V,比容量达到460mAh/g(相当于每个分子有三个电子的交换),放电电压平台约在2.5V。该材料表现的良好倍率性能可能与材料的亚微米级棒状形态和在放电过程中形成的金属铜有关。另外,采用非原位X射线衍射技术(XRD)和傅里叶反射红外光谱(FTIR)的方法对CuCrO4正极材料放电机理进行了探讨。     

不同溶剂中电化学合成LiFePO4/C及性能

以无水乙醇、纯水为溶剂,蔗糖为碳源,采用电化学法合成LiFePO4/C锂离子电池复合正极材料.通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及充放电性能测试等方法对其晶体结构、微观形貌和电化学性能进行分析研究.结果表明:LiFePO4/C具有单一的橄榄石型晶体结构.其中在无水乙醇溶剂中合成的LiFePO4/C复合正极材料...     

辉光放电光谱仪用高稳定度高压恒流源的研制

直流辉光放电等离子体激发光源工作时需要0.5～1.5 kV的高电压以及5～100 mA恒定可控的电流。放电电流的稳定性对辉光放电光源的稳定工作至关重要,为此,研制了一种用于辉光放电光谱仪的高稳定度高压恒流源。该恒流源用于驱动Grimm型辉光放电光源对样品进行溅射和光谱激发,恒流源采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和高精度低漂移运算放大器,结合电路图介绍了其工作原理及过压、过流、过热保护措施。经实验验证,恒流源输出开路电压为1.1 kV,输出电流为0～100 mA连续可调,该恒流源的输出电流稳定性高,保证了辉光放电光谱仪样品成分分析的精密度,其负载调整率和输入电压调整率均0.05%;此恒流源驱动Grimm型辉光放电等离子体激发光源对金属样品溅射效果良好,给出了溅射坑表面形貌图以及显微照片、溅射速率。对GBSA6800x不锈钢标样中的Cr、Cu、Al、W元素测试结果相对标准偏差(RSD)2.5%。     

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。     

辉光放电等离子体对气压变化的响应特性

当代气体动力学研究经常需要测量超高频流动现象,而目前使用的测量技术手段频响存在瓶颈。基于辉光放电等离子体原理测量气压的方法,频响由驱动电源载波频率决定,有望突破此瓶颈,进而捕捉更细致精确的非定常流动信息。在进行高频、超高频交流驱动实验之前,首先需要研究稳态气压对辉光放电等离子体的影响,即在直流驱动不同电极间隙条件下辉光放电具有的不同放电模式,以及该放电模式下辉光放电的维持电压对较宽范围不同稳态气压(0.5~1.0atm)的响应规律。实验结果表明:间隙50μm电流控制在3~4.5m A范围,探针工作在反常辉光放电模式,电压随着气压增大而单调变小;间隙250μm电流控制在2~3.5m A范围,探针工作在亚正常辉光放电模式,电压随着气压增大而单调增大;间隙190μm时探针电压几乎不随气压变化。