气流对氮气介质阻挡放电气体温度及放电模式的影响

利用光谱测量和高速照相的方法,对大气压氮气介质阻挡放电进行了研究.在气流的帮助下,2mm气隙中的均匀放电可以长时间得以维持.根据放电电流波形和1μs曝光时间的放电图像,这种均匀放电被判定为汤森放电.用氦氖激光器对实验中所用的光谱仪带来的谱线轮廓展宽进行了标定,并将得到的仪器展宽数据输入Specair软件,计算了不同气体温度下氮分子二正系0—2谱带的谱线轮廓.通过用计算谱线轮廓去拟合实验谱线轮廓,确定了氮分子的转动温度并将其近似为气体温度.结果表明:大气压氮气介质阻挡汤森放电并不能使气体温度大幅上升(ΔTg≤50K),气体温度的小幅上升不会引起热不稳定性而导致放电发展成为细丝放电.气流确实可以降低放电气体温度,但这不是使汤森放电得以维持的原因.通过比较加入气流前后的放电光谱可知,气流降低了气隙中杂质氧的含量,使得更多的氮分子亚稳态N2(A3Σu+)的寿命延长到下一次放电的起始时刻,为汤森放电提供了必需的大量种子电子.     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电.     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电. 关键词： 介质阻挡放电 增强电子耦合器件 大气压辉光放电 多脉冲     

放电参数对爆燃模式下同轴枪强流脉冲放电等离子体的影响

同轴枪强流脉冲放电常见有爆燃模式和预填充模式两种放电模式,爆燃模式放电可以得到杂质少、准直性高、输运速度更快的等离子体射流.本实验主要对不同电压及进气量下同轴枪强流脉冲爆燃模式放电的等离子体特性进行了研究.结果表明,在相同放电电压下,进气量少时会有多团等离子体从枪口喷出.随着进气量的增加,同轴枪放电产生的等离子体密度增加,输运速度减小,最终等离子体只有一团从枪口喷出;而在相同进气量下,随着电压的增加,等离子体密度增加,输运速度增大,开始出现有多团等离子体从枪口喷出的现象.产生该现象的原因主要是在放电过程中,当气体持续进入枪底部时,同轴枪底部会产生新的电流通道向前运动,使得在同轴枪出口处观察到了多团等离子体喷出的现象;随着放电电压的增加,在放电过程中回路电流也增加.当电流增加到一定程度时,同轴枪底部就会产生新的电流通道,从而有多个等离子体团从枪口喷出.通过改变充电电容以及对磁探针信号的分析,进一步分析并验证了同轴枪底端多次放电的现象.     

沿面放电中的辉光和赝辉光放电

利用沿面放电发生器装置，在流动氩气中实现了大气压辉光放电。放电电流波形表现为外加电压每半周期只有一个电流脉冲。驱动电压频率是60kHz时，放电电流脉冲持续时间大于1微秒。氩气中的辉光放电，功率消耗随着外加电压增加或者是气压减小而增大，这种关系可以用汤生击穿理论定性解释。与此对比，大气压空气中的放电电流波形为外加电压每半周期放电为许多脉冲，每个电流脉冲为高频阻尼振荡，这就是赝辉光放电。大气压空气中的赝辉光放电可能是由于气体的流光击穿造成的。     

Simulation of radio-frequency atmospheric pressure glow discharge in γ mode

The existence of two diffe1：ent discharge modes has been verified in an rf （radio-frequency） atmospheric pressure glow discharge （APGD） by Shi [J. Appl. Phys. 97, 023306 （2005）]. In the first mode, referred to as a mode, the discharge current density is relatively low and the bulk plasma electrons acquire the energy due to the sheath expansion. In the second mode, termed γ mode, the discharge current density is relatively high, the secondary electrons emitted by cathodc under ion bombardment in the cathode sheath region play an important role in sustaining the discharge. In this paper, a one-dimensional self-consistent fluid model for rf APGDs is used to simulate the discharge mechanisms in the mode in helium discharge between two parallel metallic planar electrodes. The results show that as the applied voltage increases, the discharge current becomes greater and the plasma density correspondingly increases, consequentially the discharge transits from the a mode into the γ mode. The high collisionality of the APGD plasma results in significant drop of discharge potential across the sheath region, and the electron Joule heating and the electron collisional energy loss reach their maxima in the region. The validity of the simulation is checked with the available experimental and numerical data.     

常压He气和N$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;气均匀介质阻挡放电的伏安特性

对带有多电流峰的常压He气均匀介质阻挡放电与常压N₂气均匀介质阻挡放电的伏安特性进行了实验分析. 分析结果表明：实验结果与模拟结果相符. 在带有多电流峰的常压He均匀介质阻挡放电中,辉光放电模式和汤森放电模式可以共存于一个多电流放电序列内. 此外,在放电电流增长阶段,可以根据常压均匀介质阻挡放电的伏安特性曲线的微分电导来判断均匀介质阻挡放电的放电模式. 在放电电流增长阶段,如果电流脉冲的伏安特性曲线呈现负微分电导,则电流脉冲为辉光放电模式;如果呈现正微分电导,则为汤森放电模式. 由此可以判断,常压N₂气均匀介质阻挡放电为汤森放电模式. 关键词： 伏安特性 辉光放电模式 汤森放电模式 常压均匀介质阻挡放电     

锯齿波频率对介质阻挡放电光谱特性的影响

采用微间隙平行平板介质阻挡放电(DBD)装置,以氩气作为工作气体,研究了锯齿波激励下DBD的放电图像、发光信号、发射光谱与锯齿波频率的关系。研究发现随锯齿波频率增加,DBD会从均匀模式(低于10 kHz),经历微放电丝与均匀放电共存,并最终过渡到微放电丝占据全部的电极区(频率高于35 kHz)。外加电压和发光波形表明,锯齿波频率较低时的均匀放电对应高占空比的阶梯放电。随频率增大,出现微放电丝后,发光波形呈现多脉冲形式,且电压半周期中的发光脉冲个数随着锯齿波频率的增大而减小。当锯齿波频率高于35 kHz时,每半个电压周期的发光脉冲个数减小为一个(单脉冲放电)。通过对放电的发射光谱进行研究,发现发射光谱中包含氮分子的第二正带系(C3Π_u→B3Π_u),OH(A2Σ+→X2Π)和ArI的特征谱线。研究表明OH(308.8 nm)和ArI(750.4 nm)的谱线强度均随锯齿波频率的增大而增大。     

大气压氩气介质阻挡放电中的四边形斑图和六边形斑图

在大气压氩气介质阻挡放电中，研究了斑图形成随放电条件的变化.观察到随电压的增加，斑图经历六边形—四边形—具有辉光背景的四边形—具有辉光背景的六边形的转变过程.其空间波长与放电丝密度也随之改变.在一定的放电条件下，斑图涌现出辉光背景，此时空间波长与放电丝密度保持不变，但放电丝每半周期放电脉冲数由一次变为两次. 关键词： 介质阻挡放电 四边形斑图 六边形斑图 空间波长     

Low-frequency dielectric-barrier discharge in the Townsend mode

An analytic model is proposed of a dielectric-barrier discharge in the Townsend mode, in which the space charge is small compared to the charge accumulated on the dielectric surface. The discharge mode depends substantially on the ratio between the frequency of the external voltage and the ion drift time through the gap. A low-frequency case is investigated, in which the space charge can be ignored. The analytic expressions obtained agree well with experiments and numerical simulations. The physical mechanism for the onset of relaxation oscillations in the Townsend mode is revealed. The time behavior of a dielectric-barrier discharge is qualitatively described, and its basic scaling parameters are determined.     

空气中空心阴极不同放电模式下的发光特性

为了进一步揭示空心阴极放电中放电模式的转换机制,特别是空心阴极放电过程中自脉冲的形成机理,利用柱型空心阴极放电结构,在空气环境下研究了放电处于不同模式时的发光特性。测量得到了不同放电模式下的伏安特性曲线、放电发光图像、自脉冲阶段的脉冲波形等。实验结果表明随着放电电流的增加放电分为汤生放电模式、自脉冲放电模式、正常辉光放电模式和反常辉光放电模式。虽然所用电源为直流电源,但在自脉冲放电阶段电流和电压随时间呈周期性变化。实验结果表明在不同的放电模式下具有不同的发光特性。在由汤生放电转换为自脉冲放电模式和由自脉冲模式转换为正常辉光放电模式过程中,放电腔的径向中心处和轴向孔口附近均存在光强的突变。实验同时在200～700 nm范围内测量得到了不同电流时的发射光谱。结果表明发射光谱主要集中在330～450 nm,主要包括氮分子的第二正带系(C3Π_u→B3Π_g )和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+_u→X2Σ+_g）。其中氮分子离子第一负带系具有较强的发射光谱。由于B2Σ+_u激发电位较高,因此该谱带较强发射光谱的存在表明空心阴极放电较其他放电形式更容易获得高激发态粒子和高能量电子。在650～700 nm附近存在一弱的发光谱带,主要为氮分子的第一正带发射谱（B3Π_g→A3Σ+_u）。在此基础上根据双原子光谱发射理论,结合氮分子第二正带系的三组顺序组带：Δν=-1,-2和-3,利用玻尔兹曼斜率法计算得到了不同放电模式下氮气的分子振动温度。结果表明在实验电流范围内分子振动温度在3 300 K左右,随着电流的增加而升高,并且在自脉冲消失时存在一突变迅速增强。由于电子能量、电子密度与分子振动温度密切相关,因此该结果也表明随着放电电流的增加电子平均能量和电子密度不断增加,当脉冲消失时,电子平均能量和电子密度出现跃变升高。最后,对空心阴极放电中自脉冲的形成机理进行了讨论,结果表明自脉冲放电源于放电模式的转换。     

Numerical simulation of a direct current glow discharge in atmospheric pressure helium

Characteristics of a direct current(DC) discharge in atmospheric pressure helium are numerically investigated based on a one-dimensional fluid model. The results indicate that the discharge does not reach its steady state till it takes a period of time. Moreover, the required time increases and the current density of the steady state decreases with increasing the gap width. Through analyzing the spatial distributions of the electron density, the ion density and the electric field at different discharge moments, it is found that the DC discharge starts with a Townsend regime, then transits to a glow regime. In addition, the discharge operates in a normal glow mode or an abnormal glow one under different parameters, such as the gap width, the ballast resistors, and the secondary electron emission coefficients, judged by its voltage–current characteristics.     

Numerical studies of atmospheric pressure glow discharge controlled by a dielectric barrier between two coaxial electrodes

The glow discharge in pure helium at atmospheric pressure, controlled by a dielectric barrier between coaxial electrodes, is investigated based on a one-dimensional self-consistent fluid model. By solving the continuity equations for electrons, ions, and excited atoms, with the current conservation equation and the electric field profile, the time evolution of the discharge current, gas voltage and the surface density of charged particles on the dielectric barrier are calculated. The simulation results show that the peak values of the discharge current, gas voltage and electric field in the first half period are asymmetric to the second half. When the current reaches its positive or negative maximum, the electric field profile, and the electron and ion densities represent similar properties to the typical glow discharge at low pressures. Obviously there exist a cathode fall, a negative glow region, and a positive column. Effects of the barrier position in between the two coaxial electrodes and the discharge gap width on discharge current characteristics are also analysed. The result indicates that, in the case when the dielectric covering the outer electrode only, the gas is punctured earlier during the former half period and later during the latter half period than other cases, also the current peak value is higher, and the difference of pulse width between the two half periods is more obvious. On reducing the gap width, the multiple current pulse discharge happens.     

介质阻挡均匀大气压氮气放电特性研究

基于一维流体力学模型，对介质阻挡均匀大气压氮气放电特性进行了数值计算研究.模型中考虑了氮气中主要的电离、激发过程，所包含的粒子种类为e，N₂，N⁺₂，N⁺₄，N₂(a¹∑^-_u)，N₂(A³∑⁺_u).模拟结果显示，氮中的放电具有低气压下汤生放电的特性.放电电流幅度较小，放电过程中气体电压变化缓慢，电子密度远低于离子密度，而且最大值出现在阳极，电子不能在放电间隙中被俘获，不存在中性等离子体区，气体中的电场趋于线性变化.亚稳态N₂(A³∑⁺_u)和N₂(a¹∑⁺_u)在整个放电空间都具有非常高的密度，比电子密度高三个量级以上，亚稳态密度的最大值出现在阳极，这样的分布决定了放电的空间结构.放电所需的种子电子主要由亚稳态之间潘宁电离提供，这种机理使放电的电离水平较低，导致氮气中的放电只能是汤生放电.随着放电参数的变化，多电流峰放电也可在氮气中获得. 关键词： 大气压均匀放电 介质阻挡放电 数值模拟 氮气     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

脉冲HF化学激光体系中的放电模式分析

采用面阵滑闪火花预电离诱导的平行板放电结构,研究了SF6-C2H6混合气体中的脉冲放电模式,确认了不同放电条件下存在自持体放电(SSVD)和电弧放电两种模式,且两种模式可以互相转化。SSVD模式放电电流波形主要由电容电压和气压决定,气体混合比和储能电容值对其影响很小。SSVD电流峰值随电容电压增加基本线性增加,随气压增加线性减小,分析表明这一特性是因为SSVD是由多个同步电子雪崩在时空上叠加而成,属于a过程主导的电子雪崩放电。     

Exploration of the Townsend regime by discharge light emission in a gas discharge device

The Townsend discharge mechanism has been explored in a planar microelectronic gas discharge device(MGDD) with different applied voltages U and interelectrode distance d under various pressures in air. The anode and the cathode of the MGDD are formed by a transparent SnO2 covered glass and a GaAs semiconductor, respectively. In the experiments, the discharge is found to be unstable just below the breakdown voltage Ub, whereas the discharge passes through a homogeneous stable Townsend mode beyond the breakdown voltage. The measurements are made by an electrical circuit and a CCD camera by recording the currents and light emission(LE) intensities. The intensity profiles, which are converted from the 3D light emission images along the semiconductor diameter, have been analysed for different system parameters. Different instantaneous conductivity σtregimes are found below and beyond the Townsend region. These regimes govern the current and spatio-temporal LE stabilities in the plasma system. It has been proven that the stable LE region increases up to 550 Torr as a function of pressure for small d. If the active area of the semiconductor becomes larger and the interlectrode distance d becomes smaller, the stable LE region stays nearly constant with pressure.     

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。     

大气压等离子体针产生空气均匀放电特性研究

大气压空气放电由于脱离了真空装置,易于实现流水线生产,因而在工业上具有广泛的应用. 采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压均匀放电. 利用光谱法对等离子体的相关参数进行了空间分辨率测量,并通过光学方法对放电机理进行了研究. 结果表明,等离子体针产生的放电存在电晕放电和等离子体羽放电两种模式. 在稳定的等离子体羽放电模式中,发光分为强光区和弱光区. 弱光区放电的发展速度远大于强光区的发展速度,电子能量和电子密度均是弱光区比强光区大. 对均匀放电的气体温度和振动温度的研究表明,强光区放电遵循汤生击穿机理而弱光区为流光放电. 这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义. 关键词： 大气压均匀放电 等离子体针 发射光谱 放电机理     

液体电极上辉光放电丝的运动特性研究

大气压液体电极放电在生物医疗、化学降解、环境保护等众多方面具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注.本文利用直流电压激励棒-水电极装置,在6 mm气隙间产生了大气压辉光放电.研究发现,随着电流的增大,放电由锥状转变成柱状,且此过程中水面上放电环的直径先增大后减小.利用高速照相机对放电进行研究,发现锥状放电是由单个放电丝旋转形成的.通过测量放电的伏安特性,表明放电处于正常辉光机理.利用光谱学方法,研究了不同电流下的振动温度、转动温度和谱线强度比I_(391.4)/I_(337.1),发现它们均随电流的增加而增大.根据气体放电理论,分析和解释了放电丝的运动机理,并对水面上放电环直径随电流的变化关系进行了解释.这些结果对于大气压液体电极放电的理论研究和实际应用均具有一定参考价值.