正弦交流电压驱动低气压CO2放电特性的对比:DBD结构与裸电极结构

火星大气富含CO₂(～95%),对其原位利用具有重要的科学和经济价值.高压放电转化CO₂具有绿色环保、可控程度高、使用寿命长等优势,在火星CO₂资源原位转化利用方面具有应用潜力.本文模拟火星低气压条件下CO₂氛围,针对kHz交流电压驱动两种典型电极结构(有/无阻挡介质)的放电特性开展对比实验研究,并辅以数值仿真分析两种电极结构下CO₂放电产物及其转化途径.结果表明,引入阻挡介质后,由于介质表面累积电荷和空间电荷畸变电场导致放电从半周期单次放电转变为多脉冲放电,不同放电脉冲对应的放电通道随机产生.主要放电产物中,CO依赖阴极位降区边界处电子与CO₂附着分解反应产生,O₂大部分产生于瞬时阳极表面或瞬时阳极侧介质表面电子与CO₂~+复合分解反应.进一步发现,介质引入不改变二者产生位置和主导反应路径,但会降低阴极位降区边界处电子密度和电子温度,使CO产量有所减少;并降低放电功率,使到达瞬时阳极表面和瞬时阳极侧介质表面的C...     

介质阻挡放电斑图中放电通道的相互作用研究

在近大气压介质阻挡放电中，研究了六边形斑图的空间波长随放电参数的变化，仔细观察了稳定的六边形中放电通道的产生及运动行为.结果表明空间波长随电压增加而减小，变化曲线与放电间隙和气压有关.电压升高，边界处生成新的放电丝，位于六边形最外层顶点处新生成的放电丝沿径向运动，而位于六边形边长上新生成的放电丝的运动方向平行于距其最近的C₂轴(过六边形顶点). 继续升高电压，放电丝变为条状进而形成螺旋波或靶波.在观察实验结果和分析放电丝受力的基础上，认为放电区域可能存在一种类似二维库仑晶体中存在的约束势. 关键词： 介质阻挡放电 斑图 放电通道 约束势     

氩气介质阻挡放电的发光特性

本文使用水电极介质阻挡放电装置,采用光学方法测量了氩气介质阻挡放电的发光特性。发现在驱动电压处于一定的范围内时,放电处于丝极模式,在驱动电压的每半周期内,无论是放电的总光还是单个微通道的放电发光均只有一次脉冲,单个微放电的时间为2μs,而总放电时间为2.4μs,这表明在氩气的丝极模式中,各单丝产生与熄灭的时间极其接近,各个放电丝之间有着很好的时间相关性。最后将本文的结果与空气中介质阻挡放电丝极模式的发光特性相比较,空气放电在每半周内的总光信号由多个脉冲组成,而每一个脉冲对应多个放电丝,因而氩气中各个放电微通道之间的时间相关性远强于空气的情况。     

介质阻挡放电中不同厚度气隙内微放电通道的光谱特性研究

采用发射光谱法,研究了具有三层介质的介质阻挡放电中不同厚度气隙内微放电通道的等离子体参量的变化规律。与在传统的具有双层介质的介质阻挡放电系统中所产生的微放电通道不同,三层介质系统内微放电通道在光谱特性方面展现了完全不同的性质以及变化规律。实验发现,微放电通道在不同的放电气隙中具有不同的发光强度。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线以及对氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子394.1 nm谱线强度之比的考察,实验进一步测量了氮分子(C3Π_u)的振动温度以及电子平均能量分别随氩气含量以及在不同电压下的变化规律。结果表明,当外加电压一定时,厚气隙内形成的微放电丝在分子振动温度以及电子平均能量上均低于薄气隙微放电丝。并且它们都随着氩气含量的增加而降低。随着电压的逐步升高,厚气隙内的微放电丝在以上两种参量上均基本保持不变,而薄气隙内微放电丝则出现较为明显的升高。这表明具有三层介质的介质阻挡放电中薄气隙较厚气隙对电压更为敏感且在相同电压浮动内电场变化范围更大。     

介质阻挡放电中单个新型放电丝放电特征和光谱测量

在放电间隙较大(d=3.8 mm)的介质阻挡放电(DBD)中,通过减小放电区域(S=1 cm×1 cm),首次观察到了单个新型放电丝。与其他实验小组所观察到的单个放电丝相比,该单个新型放电丝由体放电(VD)和沿面放电(SD)二部分构成,其放电稳定性和持续性极好。利用高速照相机和光谱仪,研究了单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中的放电特征和单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态。在高速照相机不同曝光时间条件下拍摄得到了单个新型放电丝端面和侧面放电的瞬时照片,并对其外加电压半周期单次放电的放电特征与辉光放电进行了对比。利用发射光谱法,采集了单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)和772.13 nm(2P₂→1S₃)发射谱线,并通过两条谱线强度比法,估算出了相应的电子激发温度。实验结果得出：单个新型放电丝由体放电和沿面放电构成,且沿面放电在体放电四周呈枝状扩散;单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中与辉光放电特征相似,且在阴极呈现出漏斗状放电;氩原子谱线强度及其相应的电子激发温度从极板两端到中间均呈减小的变化趋势,表明单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态不同。     

介质阻挡放电中单个新型放电丝放电特征和光谱测量

在放电间隙较大(d=3.8 mm)的介质阻挡放电(DBD)中, 通过减小放电区域(S=1 cm×1 cm), 首次观察到了单个新型放电丝。与其他实验小组所观察到的单个放电丝相比, 该单个新型放电丝由体放电(VD)和沿面放电(SD)二部分构成, 其放电稳定性和持续性极好。利用高速照相机和光谱仪, 研究了单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中的放电特征和单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态。在高速照相机不同曝光时间条件下拍摄得到了单个新型放电丝端面和侧面放电的瞬时照片, 并对其外加电压半周期单次放电的放电特征与辉光放电进行了对比。利用发射光谱法, 采集了单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的氩原子763.26 nm(2P6→1S5)和772.13 nm(2P2→1S3)发射谱线, 并通过两条谱线强度比法, 估算出了相应的电子激发温度。实验结果得出: 单个新型放电丝由体放电和沿面放电构成, 且沿面放电在体放电四周呈枝状扩散;单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中与辉光放电特征相似, 且在阴极呈现出漏斗状放电;氩原子谱线强度及其相应的电子激发温度从极板两端到中间均呈减小的变化趋势, 表明单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态不同。     

大气压介质阻挡放电超四边形斑图的等离子体参量

本工作利用双水电极介质阻挡放电装置,采用发射光谱方法,在大气压氩气介质阻挡放电中研究了由不同空间尺度 微放电通道构成的超四边形斑图的等离子体参量.实验发现直径较大的微放电通道(大点)和直径较小的微放电通道(小点)亮度不同.采用氮分子第二正带系谱线计算了分子振动温度,利用谱线强度比方法得到了电子激发温度,用氩原子696.54 nm谱线的Stark展宽估算了电子密度.结果显示小点的电子密度和分子振动温度均高于大点,而电子激发温度低于大点.这说明稳定超四边形斑图中不同尺度微放电的等离子体状态不同.     

介质阻挡放电中单双层气隙内微放电通道的等离子体参量研究

采用H型放电间隙的介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,得到了三种新颖的等离子体发光斑图。较于传统获得的斑图,这三种发光斑图是产生在单层气隙与双层气隙结合的气隙装置之中。通过相机拍摄到的斑图照片,可以发现单层气隙和双层气隙中微放电通道呈现的发光亮度、颜色、放电面积等状态有所不同,这表明微放电通道所处的等离子体状态可能各不相同。通过分析这三种等离子体发光斑图, 利用发射光谱法首次研究了单层气隙和双层气隙内微放电通道的等离子体参量。实验通过采集氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算了单层气隙和双层气隙内微放电丝的分子振动温度,并进一步利用氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽分析了单层气隙和双层气隙内微放电丝的电子密度。结果发现： 在左右相同厚度的双层气隙中,耦合微放电丝的分子振动温度基本相同,电子密度也趋于一致,单层气隙内微放电丝的分子振动温度要高于双层气隙内微放电丝,电子密度则小于双层气隙内微放电丝。单层气隙和双层气隙中不同微放电通道等离子体状态的差异性使之形成多种折射率的等离子体光子晶体,其周期性排布将具有更加丰富的带隙结构。     

介质阻挡放电丝模式和均匀模式转化的特性

利用水电极介质阻挡放电装置,采用电学方法和发射光谱,研究了空气中介质阻挡放电从微放电丝模式向均匀放电模式转化的过程. 结果表明,大气压下增大外加电压或者电压一定减小气压,放电都能够从微放电丝模式过渡到均匀模式. 高气压下放电为流光击穿而低气压下为辉光放电. 利用放电发射光谱,研究了高能电子比例随实验参数的变化. 结果表明气压减小时高能电子比例增大,电压增加时高能电子减少. 利用壁电荷理论对以上实验结果进行了定性分析. 结果对介质阻挡均匀放电的深入研究具有重要价值. 关键词： 介质阻挡放电 光学发射谱 微放电丝 均匀放电模式     

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     

针-板和针-水电极大气压直流辉光放电的光谱特性

利用光谱学方法,对针-水电极和针-板电极直流辉光放电特性进行了比较研究。结果发现两种装置产生的放电都有明显的分区现象, 从阴极到阳极分别为负辉区、阴极暗区、正柱区和阳极辉区。针-板电极放电中可以清晰地观测到阳极暗区, 而针-水电极放电阳极暗区不明显。对比两种放电的伏安特性曲线,发现放电电压均随电流增大而减小,但相同电流下针-水电极间的电压大于针-板电极间的电压。由于伏安特性具有负斜率,且放电电流密度介于10-5～10-4 A·cm-2,说明两种装置中的放电均处于正常辉光放电阶段。在正常辉光放电的范围内比较两种放电的发射光谱, 发现发射光谱中都包含N₂的第二正带系(含波长为337.1 nm的谱线)和N+₂的第一负带系(含波长为391.4 nm的谱线),但相对强度不同。利用光谱学方法对放电发射谱的谱线强度比I_391.4／I_337.1和振动温度进行了空间分辨测量,发现相同位置处针-水电极放电的谱线强度比要比针-板电极放电的大,并且相同位置处针-水电极放电的振动温度高。     

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.     

氮气中空心阴极放电条纹的发光特性

利用发射光谱法,在氮气环境下研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。测量得到了气压为20 Pa,放电电流为1.3 mA时条纹区的发射光谱,结果表明发射光谱主要为氮分子的第一正带系(B3П_g →A3П_u)和 第二正带系(C3П_u→B3П_g )。利用双原子光谱发射理论,计算得到了氮分子振动温度的空间分布特性。结果表明光谱线强度呈周期性分布,明纹中心处的谱线强度高于暗纹中心处的谱线强度。明纹中心处的N₂分子振动温度为3 500～4 400 K,并且从阴极到阳极,明纹中心处光谱线强度和分子振动温度逐渐下降。同时测量得到了放电电流为1.0和1.5 mA时的发光条纹特性,研究了放电电流对条纹特性的影响。随着放电电流的增加,明纹中心处的分子振动温度升高,条纹间距增加。另外,利用测量得到的发光条纹,计算得到了条纹区的平均约化电场强度为44～49 m-1·Pa-1,并且由阴极向阳极逐渐降低。对于揭示气体放电中发光条纹的形成机理和促进空心阴极放电的稳定性有重要的参考价值。     

大气压直流激励空气等离子体羽发光的时空演化

在针-针电极结构的放电装置中以环境空气作为工作气体,大气压下产生了刷形等离子体羽。尽管使用的是直流电源,但放电发光呈现出脉冲性质,发光脉冲频率几乎不受气体流速的影响,但与电源输出功率成正相关关系。等离子体羽的长度与气体流速或者电源功率成正相关关系。通道出口附近,777.4 nm的氧原子谱线强度分布是非对称的,阴极附近处的谱线强度高于阳极附近处的谱线强度。远离通道出口位置,谱线强度逐渐趋于轴对称分布。电学特性和10 μs曝光高速影像结果表明,空气等离子体羽实际上是由拱形放电丝在远离通道出口的运动过程中叠加而成,同时放电从弧光放电丝向均匀辉光放电转化。     

Modeling of filament discharge development in a XeCl excimer laser

Dynamics of a filament discharge in a discharge-excited XeCl excimer laser medium has been simulated for a sequence of discharge pulses (shots). In the present model a filament discharge is triggered at a microprotrusion on a cathode surface. After the first discharge initiation, a hot spot is created near the cathode, then filament develops toward the anode in the second shot. Images of the filament discharge development and its properties in a XeCl excimer laser are presented     

脉冲微放电发射光谱用于合金样品元素分析

利用大气压脉冲微放电剥蚀源对铝合金进行光谱分析。该针板结构微放电装置具有价格低廉、操作便捷、分析快速等特点。脉冲放电能瞬间注入极大的放电能量,不致使样品融化,进而保证放电的稳定性。在几微秒的时间内,对钨针电极施加近-4 000 V的高压,电极间迅速形成放电通道,针尖和样品之间形成高达20 A的电流,造成对样品的剥蚀,并对被剥蚀的粒子进行激发。单次放电脉冲注入能量约为8.5 mJ,能量以电流的形式传递于放电电极。剥蚀形貌图表明放电微等离子体局域在电极间隙,针尖轴向上的能量传递和电流密度远高于离轴区域。为了深入研究剥蚀机制和物理性质,对等离子体源的电学特性进行了讨论。通过精确的时序拍摄技术观测了等离子体的演化过程,从ICCD相机的快速成像结果可以看到等离子体源寿命与脉冲高压放电源的脉宽相当,发光强度与放电电流变化趋势相吻合。与光谱分析装置相连接,脉冲微放电剥蚀源可有效激发合金样品中的铝、镁、锰、铜等元素原子谱线。对放电过程等离子体光谱特性进行考察,利用玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算等离子体电子温度和电子数密度,分别得到过程中等离子体电子激发温度约6 700 K,等离子体电子数密度约1017 cm-3量级,并验证了放电处于局域热平衡状态。探究其定量分析性能,结果表明该脉冲微放电等离子体直接作为一种光谱分析源可实现对铝合金样品快速定量分析。     

Characteristics of a large gap uniform discharge excited by DC voltage at atmospheric pressure

A large-gap uniform discharge is ignited by a coaxial dielectric barrier discharge and burns between a needle anode and a plate cathode under a low sustaining voltage by feeding with flowing argon. The basic aspects of the large-gap uniform discharge are investigated by optical and spectroscopic methods. From the discharge images, it can be found that this discharge has similar regions with glow discharge at low pressure except a plasma plume region. Light emission signals from the discharge indicate that the plasma column is invariant with time, while there are some stochastic pulses in the plasma plume region. The optical emission spectra scanning from 300 nm to 800 nm are used to calculate the excited electron temperature and vibrational temperature of the large-gap uniform discharge. It has been found that the excited electron temperature almost keeps constant and the vibrational temperature increases with increasing discharge current.Both of them decreases with increasing gas flow rate.