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     

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.     

大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果

 介绍了一种同轴电极的射流等离子体发生装置,可以直接在大气中将生成的氦气辉光放电射流等离子体喷出进行杀菌消毒,无需反应容器和真空系统,并从电压、频率、流速等方面讨论了该同轴等离子体发生器的放电特性。在稳定的放电条件下,利用实验装置进行了大气压下的等离子体灭菌实验,验证了本装置在等离子体灭菌应用上的可行性和易操作性。灭菌结果表明：在最初的2 min内,细菌减小趋势明显,3 min后细菌几乎全部消亡。     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析

介质阻挡放电产生的低温等离子体具有广泛的应用前景而成为研究热点。文章利用平行平板介质阻挡放电装置,在流动的氦气中实现了大气压均匀辉光放电,得到了大气压下的均匀等离子体。利用电学方法将放电电流从总电流中分离出来,从而得到了辉光放电的放电电流。通过分析放电电流、外加电压、气隙上电压以及壁电荷电量之间的相互关系,可以研究气体放电过程中壁电荷积累的微观动力学行为。实验结果表明壁电荷主要是在放电电流脉冲持续期间积累的,但电流脉冲结束后,由于气隙电压没有改变极性,壁电荷还会逐渐积累,气隙电压改变极性后,壁电荷量随时间减小。这些结果对壁电荷在介质阻挡辉光放电中作用的深入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义。     

介质阻挡放电点燃大气压直流均匀放电的光谱研究

由于大气压均匀放电等离子体在工业领域具有广泛的应用前景,为了获得大尺寸的大气压均匀等离子体,采用氩气作为工作气体,在大气压空气环境中利用同轴介质阻挡放电点燃了针-板电极间的大气隙(气隙宽度达到5 cm)直流均匀放电。研究发现,同轴介质阻挡放电能够有效降低针-板电极间的击穿电压。该均匀放电由等离子体柱、等离子体羽、阴极暗区和阴极辉区组成。其中等离子体柱和阴极辉区都是连续放电。而等离子体羽不同位置的放电是不同时的。事实上,等离子体羽放电是由从阴极向着等离子体柱移动的发光光层(即等离子体子弹)叠加而成。利用电学方法测量了放电的伏安特性曲线,发现其与低气压正常辉光放电类似,均具有负斜率。采集了放电的发射光谱,发现存在N₂第二正带系、氩原子和氧原子谱线。通过Boltzmann plot方法对放电等离子体电子激发温度进行了空间分辨测量,发现等离子体柱的电子激发温度比等离子体羽的电子激发温度低。通过分析放电机制,对以上现象进行了定性解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

光谱学方法研究介质阻挡沿面放电辉光模式的电场分布

利用介质阻挡沿面放电装置,在低气压空气中实现了辉光放电模式。利用光电倍增管对放电发光信号进行检测,发现外加电压每半周期出现一个发光脉冲,并且正负半周期的光脉冲是不对称的。利用Photoshop软件处理放电的照片,研究发现平行于高压电极不同位置的发光强度基本相同,然而距离高压电极越远,发光强度减小。放电中总电场由外加电场和电介质积累的壁电荷电场共同决定,确定该电场具有重要意义。通过分析放电的发射光谱中N+₂(B 2Σ+_u→X 2Σ+_g)谱线391.4 nm和N₂的第二正带系(C 3Π_u→B 3Π_g)谱线337.1 nm的比值,可以定性地说明电场的分布。研究发现电场在高压电极附近较大而远离高压电极处较小。这些研究结果对沿面放电的数值模拟和工业应用具有重要的价值。     

Simulation of transition from Townsend mode to glow discharge mode in a helium dielectric barrier discharge at atmospheric pressure

The dielectric barrier discharge characteristics in helium at atmospheric pressure are simulated based on a one-dimensional fluid model. Under some discharge conditions, the results show that one discharge pulse per half voltage cycle usually appears when the amplitude of external voltage is low, while a glow-like discharge occurs at high voltage. For the one discharge pulse per half voltage cycle, the maximum of electron density appears near the anode at the beginning of the discharge, which corresponds to a Townsend discharge mode. The maxima of the electron density and the intensity of electric field appear in the vicinity of the cathode when the discharge current increases to some extent, which indicates the formation of a cathode-fall region. Therefore, the discharge has a transition from the Townsend mode to the glow discharge mode during one discharge pulse, which is consistent with previous experimental results.     

流动氩气介质阻挡放电特性及振动温度研究

采用双水电极介质阻挡放电装置,在流动氩气中通过改变气隙间距、驱动电源频率和气体流量等研究放电电学特性和振动温度的变化。电学测量结果发现如果固定其他实验条件而只改变某一参数,小气隙间距放电的电流峰值和功率比大气隙间距的高。同样,增大驱动电源频率也能够使放电的电流峰值和功率增加,而增加气体流量使得放电电流峰值和功率减小。最后利用光谱学方法,通过对放电发射光谱中氮分子振动带系的分析,发现振动温度随着放电气隙间距、电源频率和气体流量的变化关系与放电的电流峰值和功率的变化关系基本一致。这些结果对流动气体中大气压介质阻挡放电的应用具有重要意义。     

低气压氙气介质阻挡放电的一维仿真研究

通过建立一个自洽耦合的一维流体模型来描述低气压氙气介质阻挡放电(DBD),并采用有限元法对模型进行数值仿真研究,得到了不同外加电压幅值和频率下的气体间隙压降、放电电流、介质表面电荷随时间的变化关系以及电子、离子、中性粒子和空间电场的时域分布.仿真结果表明:介质表面电荷对放电的点燃与熄灭起着关键的作用;在一个放电周期内,根据气体间隙压降的变化情况,介质表面电荷可按六个阶段进行分析;随着外施电压幅值的增加,间隙击穿逐渐提前至外施电压过零点之前发生,放电更为剧烈;随着外施电压频率的提高,气体间隙压降减小,间隙容易击穿,放电也更加均匀.粒子及空间电场的时域分布表明氙气DBD为典型的辉光放电.     

针-板DBD微流注与微辉光交替生成的机理研究

在介质阻挡放电体系中产生辉光放电可以有效的提高放电体系产生高能电子的性能, 为等离子体化学反应提供更加丰富的活性粒子.本文对针-板介质阻挡放电体系下的放电模式进行了研究,实验发现放电正负半周期表现出不同的放电模式, 激励电压为3 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和电晕放电(或者Trichel脉冲放电),激励电压为6 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和微辉光放电.微辉光放电形貌具有与典型辉光放电相同的分层次放电结构, 分析了激励电压6 kV时的放电过程,认为足够强的阴极电场强度和裸露针状电极形成的有效的二次电子发射过程是形成微辉光放电的主要因素,绝缘介质层的存在避免了微辉光放电向弧光放电过渡.     

空气中大气压下均匀辉光放电的可能性

利用介质阻挡电极结构,对101325×105Pa气压下空气间隙中的放电进行了实验研究,数值模拟计算了实验条件下电子雪崩的发展过程.结果表明:对于长度不大于2mm的空气间隙,可能实现辉光放电.对于长度不小于5mm的空气间隙,如果不能设法降低放电场强,放电必然是流注形式,不可能实现辉光放电.另外,实验结果未能验证“离子捕获”机理降低放电场强而实现辉光放电的正确性 关键词： 大气压辉光放电 电子雪崩 流注     

大气压下多脉冲均匀介质阻挡放电的研究

基于一维流体力学模型，数值计算研究了大气压下氦气中多脉冲均匀介质阻挡放电的形成原因和性质，分析讨论了所加电压频率、幅值及介质板性质等对多脉冲均匀放电的影响. 模拟结果显示，当放电间隙较小时，由于介质表面积累电荷增加，感应电场增强，在外加电压的每半个周期内，可以形成多个放电脉冲，这些脉冲相应于等时间间隔的分立击穿. 放电间隙越窄，半个周期内形成的脉冲数目越多. 所加电压频率和幅值的变化不仅影响脉冲的幅度，同时也使放电脉冲的数目发生变化，而介质层厚度及介电常数的变化对放电脉冲数目没有明显的影响. 关键词： 大气压均匀放电 介质阻挡放电 数值模拟 等离子体     

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     

同轴场畸变气体火花开关的多通道放电特性

设计了一种同轴场畸变气体火花开关,在开关仅受触发脉冲作用和开关内外电极分别连接正负充电电容两种条件下,实验研究了触发脉冲峰值对开关间隙在氮气中的放电通道数的影响,比较了两种条件下的放电通道数。开关仅受触发脉冲作用时,放电通道承载电流较小;开关内外电极分别连接充电电容,触发脉冲施加于开关触发极时,放电通道承载电流较大。实验结果表明:仅受触发脉冲作用时,开关内间隙的平均通道数随着触发脉冲峰值增加而显著增加;开关电极连接电容的情况下,随着触发脉冲峰值增加,开关内间隙的平均通道数增加,外间隙的平均通道数减小;相近的过电压倍数下,开关电极连接电容情况下的平均通道数明显小于开关仅受触发脉冲作用情况下的平均通道数。     

Electrical characterization of dielectric barrier discharge driven by repetitive nanosecond pulses in atmospheric air

Dielectric barrier discharge (DBD) is an important method to produce non-thermal plasma, which has been widely used in many fields. In the paper, a repetitive nanosecond-pulse generator is used for the excitation of DBD. Output positive pulse of the generator has a rise time of about 15 ns and a full width at half maximum of 30–40 ns, and pulse repetition frequency varies from single shot to 2 kHz. The purpose of this paper is to experiment the electrical characteristics of DBD driven by repetitive nanosecond pulses. The variables affecting discharge conditions, including air gap spacing, dielectric thickness, barrier fashion, and applied pulse repetition frequency, are investigated. The relationship between electric field, discharge current, instantaneous discharge power across air gap, and estimated electron density with the length of air gap, dielectric thickness, barrier fashion, and pulse repetition frequency is obtained respectively, and the experimental results are also discussed. In addition, two typical images exhibiting homogeneous and filamentary discharges are given with different experimental conditions.     

空心针-板电极大气压氩气辉光放电的特性研究

大气压均匀放电等离子体在工业领域具有非常广泛的应用前景,它是利用直流电源激励的空心针-板放电装置,以氩气为工作气体在大气压空气中产生均匀稳定的放电。对氩气流量和气隙间距对辉光放电发光特性的关系进行了研究,结果表明放电所产生的等离子体柱连接两个电极,发光较为均匀(观察不到放电丝)。在板电极附近放电等离子体柱直径最大,最大直径随着电流和气流的增大而增大。放电伏安特性研究发现,与低气压辉光放电相类似,两电极间的电压随着电流的增大而减小,并且随气流和气隙间距的增大而增大。对该大气压直流均匀放电在扫描范围为330～450 nm的光学发射光谱进行分析,获得了放电等离子体的分子振动温度和谱线强度比I_391.4/I_337.1随氩气流量和气隙间距的变化关系。I_391.4/I_337.1均随流量和气隙间距的增大而降低。对等离子体柱的I_391.4/I_337.1沿气流方向(等离子体柱轴向)进行了空间分辨测量,并进行了定性分析,结果表明,振动温度及电子平均能量随着远离空心针口距离的增大而增大。这些结果对大气压辉光放电在工业中的应用具有重要意义。     

Glow Discharge Characteristics of Hollow Needle-Plate Electrode in Atmospheric Pressure ArgonSCIEI北大核心CSCD

Atmosphere pressure uniform plasma has the broad application prospect in the industrial field. Using hollow needle cathode - plate anode device excited by direct-current voltage, a uniform and stable glow discharge is generated at atmospheric pressure in ambient air with argon used as working gas. The influence of the experimental parameters (including gas flow rate and the gas gap width) on discharge has been investigated by optical method. It can be found that a glow-discharge plasma column can bridge the two electrodes. The plasma column is uniform, and no filaments can be discerned. Near the plate electrode, the diameter of the plasma column is largest of all positions. The maximal diameter of the plasma column increases with increasing the discharge current or the gas flow rate. Through electrical method, the voltage-current characteristic has been investigated. It has been found that the discharge voltage decreases with increasing the current which is similar with the characteristic of glow discharge in low pressure. It increases with increasing the gas gap width or the gas flow rate. By analyzing the optical emission spectrum scanning from 330 to 450 nm emitted from the direct-current glow discharge, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated as functions of the gas flow rate and gas gap width. Results indicate that both the vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 decrease with increasing the gas flow rate or the gas gap width. In addition, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated in spatial resolution along the direction of gas flow(plasma column axial), and give a qualitative analysis as well. It is found that the vibrational temperature and the average electron energy increase with increasing the distance from the hollow needle cathode. These results are important to the industrial applications of glow discharge.     

微隙介质阻挡放电装置中的空气均匀放电光谱特性

大气压空气中介质阻挡均匀放电产生的等离子体在工业领域具有广阔的应用前景,为研究其产生条件及机理,利用微间隙介质阻挡放电装置,在大气压空气中实现了均匀放电。电学实验结果表明,低电压时电流波形在电压每半个周期存在若干个脉冲宽度很小的脉冲,肉眼观察到大量的微放电丝,随着外加电压增加,放电功率逐渐增加,放电空间内微放细丝增多。当电压增大到9.2 kV时,电流波形在电压每半个周期只存在一个宽度较大(约5.5 μs)强度较强的脉冲,观察不到微放电丝,微放电最终扩展叠加形成均匀放电。采集了光谱范围为330～420 nm的发射光谱,氮分子第二正带系337.1 nm的谱线强度明显比氮分子离子第一负带系391.4 nm的强。将337.1 nm谱线的强度归一,391.4 nm谱线的强度即反应了电子平均能量的大小,同时拟合计算了反映分子内部能量的氮分子振动温度。结果表明电子平均能量和分子内部能量都随外加电压的增加而降低。表明放电空间电场能量较低时不容易形成丝状放电,均匀放电模式中电子平均能量比微放电丝放电模式中的低。这些结果对于空气中介质阻挡均匀放电在工业应用方面具有一定的指导意义。