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。     

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。     

空气中纳秒脉冲介质阻挡放电高速摄影

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。     

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.     

多路高电压纳秒矩形波脉冲发生器的研制

为满足脉冲功率实验中对多路高电压纳秒矩形波激励的需求,研制了一台21路高电压纳秒矩形波发生器。此发生器由一个单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器和一个21路分路器组成。其中单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器可输出幅值约1.07kV、半高宽约10ns、上升沿约1.45ns的矩形波脉冲。利用21路分路器可将该矩形波脉冲分为21路矩形波脉冲,测得每路脉冲幅值可达51V,半高宽约为10ns,上升沿约为2.25ns。     

Experimental study on characteristics of nanosecond-pulse surface dielectric barrier discharge

在常规大气环境条件下,基于单极性纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究.结果表明:纳秒脉冲表而介质阻挡放电的本质是丝状放电,放电集中在电压脉冲的上升沿;激励电压和脉冲重复频率越大,放电越强烈,越接近均匀放电,但电压的作用更侧重于均匀性,而频率的作用则侧重于放电的强度;电极间隙的优化可以使表面介质阻挡放电特性最好;玻璃作为阻挡介质时容易发生沿面闪络.     

纳秒脉冲表面介质阻挡放电特性实验研究

在常规大气环境条件下,基于单极性纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究。结果表明:纳秒脉冲表面介质阻挡放电的本质是丝状放电,放电集中在电压脉冲的上升沿;激励电压和脉冲重复频率越大,放电越强烈,越接近均匀放电,但电压的作用更侧重于均匀性,而频率的作用则侧重于放电的强度;电极间隙的优化可以使表面介质阻挡放电特性最好;玻璃作为阻挡介质时容易发生沿面闪络。     

紧凑型重复频率高压纳秒脉冲电源及其仿真模型

纳秒脉冲等离子体在诸多实际的工程应用中依赖于小型化且可靠的纳秒脉冲电源实现。设计了一种紧凑型全固态高压纳秒脉冲电源,该电源主要由直流电源部分、绝缘栅双极晶体管及其驱动控制电路、可饱和脉冲变压器、磁脉冲压缩网络等组成。通过理论计算分析、PSpice电路仿真以及实验研究表明,其最终可以在800 的输出负载阻抗上获得幅值40 kV、脉冲宽度100 ns左右、脉冲上升沿约50 ns的高电压脉冲,重复频率最高可达5 kHz。     

大气压氦气多路低温等离子体射流

为了研究大气压低温等离子体多路射流阵列的放电特性,设计一个实现7路低温等离子体射流的放电装置,采用单电极放电结构,在开放的大气环境下通入氦气。采用高压窄脉冲重复频率电源激励驱动该放电装置,电源脉冲宽度约230 ns,脉冲上升沿约为120 ns。在重复频率为500 Hz的条件下,通过高速摄影初步发现放电电流脉宽约为110 ns,且无反向放电。试验结果表明:平均射流长度随电压幅值增加而增加,在一定电压幅值时射流长度有达到饱和的趋势,这是由于射流通道尾部有空气进入,电压幅值已不再是主要原因;只有在合适的气体流量值时,才能够获得较长的平均射流长度,这是由于气体流量过大或过小时射流均不足以维持形成的放电通道;此外,中心电极放电射流长度受气体流量影响较大,气体流量在一定值时可以观察到中心电极有较长的射流,射流放电强度较弱,气体流量过大或过小时中心电极几乎无放电,这是由于四周电极更易形成放电射流,削弱了中心电极放电。 ,     

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.     

纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究

经典的放电理论(Townsend和流注理论)不能很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来基于高能量电子逃逸击穿的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注,有研究发现,高能逃逸电子是纳秒脉冲气体放电中的新特征参数,本文研制了用于测量纳秒脉冲放电中逃逸电子束流的收集器,并对脉宽3—5ns、上升沿1.2—1.6 n8激励的大气压纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流进行了测量,收集器采用类似法拉第杯的原理,利用金属极收集纳秒脉冲放电中的高能电子,并转换为电信号后由示波器采集,为了获得更好的逃逸电子束流波形,对逃逸电子束流收集器进行了优化设计,提高了收集器的阻抗匹配特性,基于上述的逃逸电子束流收集器,研究了纳秒脉冲气体放电中逃逸电子的特征,实验结果表明,所设计的收集器可以有效地测量到逃逸电子束流,改进设计后收集器测得的逃逸电子柬流的时间分辨率和幅值均得到提高,施加电压约80 kV时,大气压空气中的逃逸电子束流幅值可达160 mA,脉宽小于1ns,多个脉冲激励放电的结果表明逃逸电子束流收集器具有较好的可靠性,其瞬态响应与时间分辨率比较稳定。     

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.     

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

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。     

陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

 利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90 Ω负载可以使发生器处于临界阻尼放电状态,从而确定发生器的内部阻抗约为45 Ω。当充电电压为40 kV时,在金属膜电阻负载上得到了幅值约为210 kV,脉宽约为40 ns,前沿约为5 ns的快前沿高压脉冲。利用此发生器成功地驱动了强流二极管,当二极管阴阳极间距为15 mm时,在30 kV充电情况下,其输出电压约为154 kV,束流约为1 kA。