空间电荷和介质表面电荷对微放电演化过程的影响

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例,基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真,并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上,明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态,介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续,最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致,归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。     

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).     

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     

介质部分填充平行平板传输线微放电过程分析

本文主要研究了介质填充微波部件微放电随时间演变的过程,重点分析了介质微波部件微放电自熄灭机理.以介质部分填充平行平板传输线为研究对象,忽略空间电荷效应,采用自主研发粒子模拟软件模拟微放电过程,并将模拟结果与金属微波部件结果进行对比.结果表明,在一定功率下,金属微放电过程中电子数目呈指数形式增长,而介质微放电过程经历初始电子倍增后发生自熄灭现象,同时发现在电子数目即将下降为0时,介质表面的平均二次电子发射系数大于1或约等于1.另外,在上述模拟结果的基础上对微放电过程中介质表面积累电荷问题进一步分析,模拟结果表明,如果持续向微波部件内注入电子,介质表面的平均二次电子发射系数最终都约等于1.所得结论对研究复杂介质填充微波部件微放电的机理具有一定的理论指导价值.     

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.     

电子辐照电介质样品带电泄放弛豫特性研究

电子照射电介质材料的带电效应对介质微波部件的微放电现象有着重要影响.本文采用数值模拟的方法研究电子照射介质样品带电后的弛豫泄放过程.对入射电子与样品的相互作用考虑了弹性和非弹性碰撞过程,采用蒙特卡罗方法进行数值模拟;对沉积在样品内部的电荷泄漏过程则采用考虑电荷迁移、扩散以及俘获等过程的时域有限差分法进行处理.模拟了介质样品在带电泄放弛豫过程中的内部电荷和电位分布以及弛豫暂态特性,并分析了包括样品厚度、电子迁移率以及俘获密度在内的样品参数对泄放弛豫过程的影响.计算结果表明:在介质样品带电泄放的弛豫过程中,样品内部的总电荷量和表面电位逐渐减弱到一个与俘获密度直接相关的终态值;迁移率的增大会类线性比例地减少泄放时间常数,电荷泄放量随着样品厚度的增加呈现先增后减的趋势,而泄放量比随俘获密度增大从1近指数关系地减小为零.     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理,利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×10~4Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明,整个放电过程分为四个阶段,即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应,阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量,而负辉区径向电场很弱,电子平均能量较低,电子和离子密度峰值出现在负辉区,二者数值基本相等,而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。     

正弦削波电压调控大气压氦气非平滑表面介质阻挡放电均匀性的仿真研究

在大气压介质阻挡放电的实际应用中,等离子体通常作用于非平滑表面.其表面形貌导致的电场畸变和表面电荷分布不均匀,会对放电的均匀稳定产生不利影响.建立了下介质板为波浪状的大气压氦气介质阻挡放电仿真模型,并采用正弦削波电压对放电均匀性进行调控.结果表明:相比于未削波情况下,放电均匀性提高,介质阻挡放电从柱状放电模式转换为准均匀放电模式.这可以归因于气隙电压降低而产生的不完全放电消散;随后的电子回流过程使残余空间电子与表面电荷中和,限制了表面电荷积累.随着削波比例增加,表面电荷分布更为均匀,进而导致电场分布在径向上波动减弱.此外,在一定削波范围内放电效率也有所提高.本研究揭示了削波电压对非平滑表面介质阻挡放电的影响机理,为介质阻挡放电均匀性调控提供了新的思路.     

纳秒脉冲下真空中绝缘子表面带电特性

 实验研究了前沿50 ns、脉宽350 ns和3 μs正负极性的4种脉冲电压作用下,真空中绝缘材料的各种局部放电现象以及由此引起的表面带电。结果表明:在脉冲电压作用下,绝缘材料沿面闪络发生前会发生各种局部放电现象,局部放电是纳秒脉冲下绝缘材料表面带电的根本原因。只要发生局部放电,绝缘材料表面就会出现正极性的电荷,并且在阴极附近的电荷密度略大于阳极附近的电荷密度,但由于材料陷阱的分布,也会有局部突变。有机玻璃比聚乙烯容易发生局部放电和积聚电荷,沿面闪络电压值更低。局部放电引起表面带电的物理机制是二次电子发射形成过程中的电子碰撞电离和材料陷阱捕获电荷共同作用。     

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。     

光谱法诊断大气压等离子体电子密度

采用发射光谱方法对大气压氩气介质阻挡放电(DBD)系统中的电子密度进行了诊断。通过考虑放电等离子体中的各种加宽机制, 采用自编的非对称卷积程序对氩原子发射谱线的线型进行分析拟合, 再通过反卷积的方法将各种加宽机制分离开来, 最终将Stark展宽分离出来进行大气压氩气介质阻挡放电电子密度的计算。诊断结果表明, 在大气压氩气介质阻挡放电中当有三个放电丝存在, 电子温度为10000 K时, 电子密度约为4.06×1021 m-3, 诊断结果和模拟结果符合得很好。此方法不仅可以应用在大气压介质阻挡放电中, 还可以用于其他含有非氢气体的大气压等离子体电子密度的测量。     

The effect of air plasma on barrier dielectric surface in dielectric barrier discharge

Barrier dielectric is an important part of atmospheric pressure dielectric barrier discharge (AP-DBD), which partly affects discharge characteristics. Conversely, discharge plasma also has influence on dielectric surface properties. To investigate this influence, some experiments were carried out on a home-built AP-DBD system with glass plate as barrier dielectric. Surface wettability was evaluated by water contact angles on a drop shape analysis system. The morphologies and chemical compositions of the glass sample surfaces were observed by field-emission scanning electron microscope (FESEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) attached to FESEM. The results show that water contact angles decrease as discharge energy increases, micro-discharge etching zones are formed into glass surface and different from the control glass in surface micro-structure and chemical compositions.     

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。     

Barrier Discharge The Transferred Charge and Ozone Synthesis

We have undertaken an experimental investigation of the influence of the conditions of barrier discharge implementation such as: the discharge gap value, the type of gas, and the polarity and dielectric permittivity of the dielectric electrode on the value of charge transferred in a micro-discharge. It is shown that the increase in the specific capacitance of the electrodes leads to proportional increase in the transferred charge value, reaching 100–200 nC in a discharge gap 1 mm, in air. In this case the amplitude and duration of a current pulse in the microdischarge reach, respectively, 10 to 15 A and 40 ns. It is also demonstrated that in air with increase in the discharge gap value one can observe a decrease in the efficiency of the ozone synthesis whereas in oxygen there exists a more complicated dependence: the maximum of efficiency is observed at a discharge gap value of 0.7 to 1.0 mm.     

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     

Investigation of a single dielectric barrier discharge in submillimeter air gaps: Uniform field

The characteristics of a single discharge in 0.01–0.2-cm air gaps are investigated under atmospheric pressure between the metal electrodes and in the presence of a polymer barrier on one of the electrodes. The experimentally determined surface charge density distributions are satisfactorily described by a 2D Gaussian function with the proposed parameters. In the uniform field, the breakdown voltage weakly depends on the presence of a dielectric barrier. At the same time, the change from the positive to negative polarity of the metal electrode leads to a manifold increase in the discharge current and in the surface charge. The breakdown occurs under considerable overvoltage; the estimates indicate the streamer mechanism of the breakdown.     

介质阻挡放电中的能量转换过程研究

研究了介质阻挡放电过程中的电流强度、电场强度以及电荷分布的演变规律，并对能量转换性质进行了分析.研究结果表明，在一个放电脉冲过程中，外加驱动电源所作的功、电场能量的增量均与起始时刻的壁电荷密度有关，而气体中放电电流所作的功即沉积于气体中的能量与起始时刻的壁电荷密度、放电电流的具体波形无关. 关键词： 介质阻挡放电 壁电荷 动力学过程 能量转换