High speed imaging of nanosecond-pulse dielectric barrier discharge in atmospheric air

使用上升沿40 ns、脉宽70 ns的重复频率单极性纳秒脉冲电源,采用双水电极结构产生大气压空气中介质阻挡放电.测量了纳秒脉冲下介质阻挡电压和电流,并获得长曝光时间和ns级曝光时间的放电特性,采用曝光时间为2 ns的高速摄影拍摄放电发展过程.结果表明:大气压空气中,水电极结构纳秒脉冲介质阻挡放电能够产生稳定均匀的放电等离子体,且存在二次放电.高速摄影对放电发展过程的拍摄结果表明:放电首先由电极中部开始发展,径向扩展至整个电极范围.     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明:纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

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。     

用PET薄膜覆盖金属丝网电极实现大气压空气中均匀放电

将325^#不锈钢丝网电极和0.1 mm厚的PET薄膜紧贴在一起,平整地固定在Rogowski电极基座上,用50 Hz工频电压源及并联稳压电容,在大气压下2 mm空气间隙中实现了均匀放电.实验表明：将放电电流和电荷量波形作为判断放电均匀性的依据并不是完全可靠的,它只能判断放电在时间上的一致性,而不足以判断放电在空间上的均匀性.只有拍摄曝光时间不大于100ns的放电图像,才能可靠地判断放电的均匀性.在金属丝网电极覆盖PET薄膜的大气压气体放电实验中,这种放电图像被拍摄到,并说明大气压空气中的均匀放电只是汤森放电,而非辉光放电. 关键词： 大气压辉光放电 金属丝网电极 驻极体 高速摄影     

大气压介质阻挡放电的光谱研究

使用水电极介质阻挡放电装置,分别在大气压空气和氦气中实现了稳定的高气压放电。通过水电极观察两种气体的放电,发现大气压空气中放电为空间随机分布的微放电丝,等离子体是不均匀的,而在氦气中放电没有微放电丝,空间分布比较均匀。比较而言,这种均匀放电产生的等离子体具有更广泛的工业应用前景。对两种气体中放电的电流波形进行了比较,发现空气中放电的电流脉冲在时间上是随机出现的而氦气中放电的电流脉冲在时间上具有周期性,并且空气中放电脉冲宽度约为几十ns而氦气中放电的电流持续时间较长,脉冲宽度大约为1μs。文章还对两种气体中介质阻挡放电发射光谱进行了研究,结果表明大气压氦气中均匀放电的N+₂(B2Σ+_u→X2Σ+_g)谱线391.4nm很强而在大气压空气放电中此光谱线很弱。这些研究结果对高气压条件下均匀放电的实现和大气压辉光放电的工业应用具有重要意义。     

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。     

石英管对空气中锥-板结构纳秒脉冲放电的影响

报道了石英管对大气压下空气中锥-板电极结构纳秒脉冲放电的影响实验研究.实验过程中发现将石英管纵向移动位置,放电会出现四种明显不同的形貌状态,对其机理进行了初步的探讨.利用发射光谱诊断了其转动和振动温度(分别为295和2200 K),表明该等离子体具有高度非平衡度.还进一步提出大气压下空气中产生类辉光放电的有效途径. 关键词： 纳秒脉冲放电 空气 纵向介质 非平衡等离子体     

大气压管板结构纳秒脉冲放电中时域X射线研究

纳秒脉冲放电能在大气压下产生高电子能量、高功率密度的低温等离子体,由于经典放电理论无法很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来以高能逃逸电子为基础的纳秒脉冲气体放电理论受到广泛关注.纳秒脉冲放电会产生高能逃逸电子,伴随产生X射线,研究X射线的特性可以间接反映高能逃逸电子的特性.本文利用纳秒脉冲电源在大气压下激励空气放电,通过金刚石光导探测器测量放电产生的X射线,研究不同电极间隙、阳极厚度下和空间不同位置测量的X射线特性.实验结果表明,在大气压下纳秒脉冲放电能产生上升沿约1 ns,脉宽约2 ns的X射线脉冲,其产生时间与纳秒脉冲电压峰值对应,经计算探测到的X射线能量约为2.3×10-3J.当增大电极间隙时,探测到的X射线能量减弱,因为增大电极间隙会减小电场强度和逃逸电子数,从而减少阳极的轫致辐射.电极间距大于50 mm后加速减弱,同时放电模式从弥散过渡到电晕.随着阳极厚度增加,阳极后方和放电腔侧面观察窗测得的X射线能量均有所减弱,在阳极后面探测的X射线能量减弱趋势更加明显,这说明X射线主要产生在阳极内表面,因此增加阳极厚度会使穿透阳极薄膜的X射线能量减少.     

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     

大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理

经典放电理论(Townsend和流注理论)解释纳秒脉冲气体放电存在局限性,近年来基于高能电子逃逸的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注.但是目前对大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理研究仍较少,严重阻碍了纳秒脉冲放电等离子体的应用发展.本文利用一维粒子模型,对幅值为20 kV的纳秒脉冲电压驱动下,间隙长为1 mm的板-板电极之间的大气压空气放电中逃逸电子的产生机理进行了数值模拟研究..结果表明,在空间电荷动力学行为的影响下,板-板电极之间出现了增强电场区域,使得电子可以满足电子逃逸判据而进入逃逸模式.此外,还观察到放电通道前逃逸电子的预电离效应导致了二次电子崩的产生,随着二次电子崩与放电通道不断汇聚,引导并加速了放电通道的发展,最终导致气隙击穿.本研究进一步揭示了纳秒脉冲板-板放电机理,拓展了纳秒脉冲气体放电基础理论,为纳秒脉冲放电等离子体的应用和发展开辟了新的机会.     

介质阻挡放电中微放电周期特性的光学测量

采用特殊设计的双水电极介质阻挡放电装置,利用光学方法原位、无干扰地测量了大气压空气介质阻挡放电中微放电的单脉冲特性和周期特性,实验上首次发现在介质阻挡放电斑图模式中,微放电在驱动电压的正负半周的放电时刻并不是固定的,相邻两次放电的时间间隔是长短交替的。根据壁电荷对微放电通道相邻两次放电的不同作用,分析了相邻两次放电时刻的联系,很好地解释了相应的实验现象。     

纳秒脉冲放电对聚对苯二甲酸乙二酯憎水改性

基于自主研制的ns脉冲电源(上升沿约70ns,脉宽约100ns)激励介质阻挡放电产生大气压低温等离子体,在CF4气氛下对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)表面进行了憎水改性处理,测量了改性前后的薄膜表面的水接触角,给出了CF4气流量、放电电压、处理时间和CF4比例等参数对改性效果的影响规律。结果表明,大气压ns脉冲DBD表面处理能够实现PET材料的憎水性,改性后的PET表面水接触角由66°提高到最大100°。     

介质阻挡放电中微放电的映射方程

利用双水电极介质阻挡放电装置，采用光学方法测量了大气压空气和氩气中介质阻挡放电的微放电时间特性.实验发现微放电通道相邻两次放电时间间隔是长短交替的.根据壁电荷对相邻两次微放电的不同影响，建立了介质阻挡放电时间序列的映射方程.不同放电参量取值情况下的计算结果表明，介质阻挡放电中，壁电荷电场的衰减时间常数远大于100μs量级.由方程所得的结果，解释了相邻两次放电时间间隔长短交替的实验现象，确定了壁电荷衰减时间常数的范围. 关键词： 介质阻挡放电 时间特性 壁电荷 映射方程     

μs振荡脉冲电源激励下同轴电极介质阻挡放电特性

 采用μs振荡脉冲电源激励同轴电极结构产生空气中介质阻挡放电(DBD),通过电压-电流波形的测量及发光图像拍摄研究了放电特性,计算得到了放电功率及传输电荷量等重要放电参量,研究了电压幅值、气隙距离对放电特性及放电参量的影响,在分析放电机理的基础上对实验结果进行了解释。结果表明:μs振荡脉冲电源激励下,DBD平均放电功率可达上百W,传输电荷量可达几千nC;增大电压幅值和减小放电气隙距离能获得更剧烈的放电,平均放电功率和传输电荷量均增加。     

吸收光谱法测量大气压空气介质阻挡放电的臭氧浓度

臭氧作为一种强氧化剂和杀菌剂,在污染物降解,食品加工,杀菌消毒,医疗卫生等方面有着非常广泛的应用。大气压介质阻挡放电是一种极为高效的产生臭氧的方法,利用平行平板介质阻挡放电装置,采用交流高压激励,产生了大气压空气非平衡态等离子体。通过测量其电压和发光信号,发现在电压的正、负半周期均存在着许多随机的放电脉冲,并且其脉宽均在几十到几百纳秒之间,这表明其机制是流光放电。放电的光学发射谱包含氮分子的第二正带系(C 3Π-B 3Π)和第一正带系(B 3П-A 3П),氮分子离子的第一负带系(B 2Σ-X 2Σ),以及氧原子谱线(715.7和799.5 nm)。由于流光放电在紫外区域(200~300 nm)没有明显的发射谱线,但臭氧在此区域存在吸收峰,因此可以利用此区域的紫外吸收光谱测量放电产生的臭氧浓度。吸收光谱法可以有效的监测其臭氧浓度的变化情况,其优势在于操作简单,对实验环境要求低,可在放电条件下使用,并且可以连续监测臭氧浓度变化。基于此,通过Beer-Lambert定律计算了臭氧浓度随实验参数的变化,结果发现随外加电压幅值和驱动频率的增加,臭氧浓度升高。这些结果对于大气压介质阻挡放电的工业应用具有重要价值。     

米量级常压等离子体改性装置及其在纺织材料改性中的应用

介绍了自制的1m尺度介质阻挡电连续表面改性处理装置。论述了米量级常压介质阻挡放电的物理特性,探讨了介质阻挡放电的电压、功率、频率等电学参量之间的关系。给出了使用此装置连续对涤纶(PET)织物、熔喷PBT非织造布和羊毛织物三种纺织材料进行改性实验结果,得到了相应的扫描电子显微镜(SEM)图片,分析了材料表面改性的原因。     

常压空气亚微秒脉冲DBD高速摄影研究

为研究亚微秒脉冲激励常压空气介质阻挡放电(DBD)时空演化规律,采用高速摄影相机(ICCD)在ns量级时间曝光范围内,分别在单次及连续放电(500Hz)情况下研究放电等离子体的发光性质及放电发展过程。结果表明:在亚微秒高压脉冲平行板结构放电条件下,起始阶段放电表现出不均匀性,随着电流增大发光增强并变得均匀,在回路电流最强位置时放电达到均匀状态,并且放电均匀性在回路电流下降阶段明显好于其上升沿阶段,放电发光强度与电流波形可以很好的吻合。在一定外界参数条件下,二次放电的存在受到电源重复频率、电压幅值等参数的影响。在单次放电条件下可以明显观测到二次放电的存在,相较于一次放电,二次放电更加均匀;连续状态放电模式下几乎观察不到二次放电。     

Formation of hydrophobic coating on PMMA surface using unipolar nanosecond-pulse DBD in atmospheric air

Dielectric barrier discharge (DBD) can modify the material surface and result in complicated physical and chemical reactions to improve the surface hydrophilicity, which is proved to be an effective method for surface modification. Compared with the traditional ac-excitation DBD, the DBD using unipolar pulses can avoid local overheat of microdischarges and can improve discharge efficiency under some conditions. In this paper, DBD excited by repetitive unipolar nanosecond generator was used to improve the hydrophobicity of Plexiglass (PMMA) surface by means of the interaction between air plasma and silicone oil. The output voltage had a rise time of 40 ns and a full width at half maximum of about 70 ns. The surface hydrophobicity of the PMMA, before and after the surface modification, was evaluated via the contact angle measurement under different experimental conditions. The values of the contact angle shown in this paper were the average of eight measured values, and the standard deviations were also calculated. The surface energy including polar and dispersion components was calculated using the measured average contact angles of distilled water and polyethyleneglycol. The results showed that, as the increase of the discharge voltage, the contact angle increased but the surface energy decreased. With the increase of treatment time, the water contact angle of the modified surface increased at the beginning, and it would reach to a maximum at 7.5 min treatment, and then decreased. The effect of pulse frequency on the modification results was different at various treatment times. In addition, the possible physical and chemical reaction among the DBD plasma, silicone oil and the PMMA surface was discussed.     

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.