沿面型介质阻挡放电喷枪的发光特性及气体温度研究

利用氩气作为工作气体,采用正弦电压驱动沿面型等离子体喷枪,在大气压空气环境中产生了均匀的等离子体羽。电学和光学测量结果表明,等离子体羽放电只存在于外加峰值电压的正半周期,并且正半周期的放电脉冲个数随气体流量的增加而增加。通过对正半周期不同位置的发光脉冲信号进行比较,发现等离子体羽均按子弹形式传播,其中每一个发光脉冲均对应一次等离子体子弹传播过程。通过对比放电电流和等离子体羽的发光信号,发现等离子体羽的发光脉冲滞后于放电电流脉冲,且该延迟时间基本服从正态分布。该延迟时间随着外加电压峰值及气体流量的增大而减小。利用光纤测温仪测量了等离子体羽的气体温度,发现气体温度随外加峰值电压的增大而升高,随工作气体流量的增大而降低。通过分析放电过程,对上述现象进行了定性解释。     

气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响

快脉冲直线变压器型驱动源(FLTD)是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N2,CO2,SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N2中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N2中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1%C4F7N/99%N2混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。     

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。     

沿面放电中的辉光和赝辉光放电

利用沿面放电发生器装置，在流动氩气中实现了大气压辉光放电。放电电流波形表现为外加电压每半周期只有一个电流脉冲。驱动电压频率是60kHz时，放电电流脉冲持续时间大于1微秒。氩气中的辉光放电，功率消耗随着外加电压增加或者是气压减小而增大，这种关系可以用汤生击穿理论定性解释。与此对比，大气压空气中的放电电流波形为外加电压每半周期放电为许多脉冲，每个电流脉冲为高频阻尼振荡，这就是赝辉光放电。大气压空气中的赝辉光放电可能是由于气体的流光击穿造成的。     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。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。     

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。     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。     

大气压氩直流微放电光谱研究

微空心阴极放电或微放电是一种能够实现高气压下放电的有效方法。利用不锈钢空心针作阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压氩直流微放电实验研究。测量了大气压氩微放电光谱,发现氩气的发 射谱线主要集中在690～860 nm范围,且全部为氩原子4p—4s的跃迁。实验研究了不同放电电流、气体压强、气体流量与谱线强度之间的关系,发现谱线强度随放电电流、气体流量增加均增加,而谱线强 度随压强变化呈现不同特征：谱线强度随压强的增加先增加后降低,在13.3 kPa时强度最大。此外,选用跃迁波长为763.51和772.42 nm的两条光谱线,利用发射谱线强度比值法测量了氩气微放电等离子 体的电子激发温度。结果显示,其电子激发温度处于2 000～2 800 K之间,且随放电电流的增加而增加,随气体压强和气体流量的增加而降低。     

ICP-AES法的外加磁场效应

等离子体与一般气体的不同之处就是它的运动受到磁场的影响,当等离子体横越磁力线运动时就会受到磁场的阻力,还会产生电流。发射光谱中常用的等离子体直流电弧的磁场效应已被研究和应用,它在外加磁场(50—400高斯)作用下可增加试样微粒在等离子体中的停留时间,改变激发温度和电子密度及其分布,改变电弧的外形,并使放电稳定,以致谱线强度有明显变化。例如在直流电弧和氩气气氛的情况下,非均匀磁场可使弧温提高780 K,电离度和电子密度也为之增加,钴、镍和锰的谱线强度分别提高到36.8、32.4和7.5倍。在直流电弧中加100高斯的均匀磁场,可使17个元素的谱线增强到1.7—43倍。对于交流电弧也发现了外加磁场的影响。将试液气溶胶喷入交流电弧进行分析时,600高斯的均匀磁场可使放电稳定,弧温增高600K,锰、铬、钼和铁的谱线强度增加到3—5倍。此外用空心阴极光源作光谱分析时,以及在激光微区光谱分析中,外加磁场也能提高灵敏度。但ICP光源的外加磁场效应尚未见报导。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

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。 ,     

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.     

不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.     

介质阻挡放电的电子密度及放电均匀性

建立介质阻挡放电实验系统,研究大气压下外加放电峰值电压和气体组分对气体放电效果的影响.实验研究表明,提高外加放电峰值电压,电子密度明显增加;添加氢气后,观察到明显的潘宁效应,并得出了大气压下获得气体均匀放电的途径.     

介质阻挡放电羽的等离子体参数光学诊断

利用介质阻挡放电装置在大气压下产生了稳定的氩气等离子体羽,利用示波器对等离子体羽的外加电压、电流和发光信号进行了记录。光学诊断结果表明,等离子体羽由高速运动的等离子体子弹组成。基于碰撞辐射模型,利用300~800nm范围的光学发射谱诊断了等离子体羽的电子密度。结果表明,电子密度随外加电压和气体流量的增大而增大,随驱动频率的增大而减小。利用光谱法对等离子体羽的振动温度和转动温度进行了研究,发现其振动温度和转动温度均随外加电压和气体流量的增大而升高,随驱动频率的增大而降低。通过分析放电电场,对以上现象进行了定性解释。     

环形电极单间隙电晕放电伏安特性

基于用于直线变压器型驱动源的多间隙气体开关结构,提出一种环形放电间隙与电晕针并联的气体火花间隙。通过测量间隙耐压过程中电晕放电的伏安特性,研究了气体介质、气压、电晕极性、电晕针长度以及针尖对应电极结构等因素对伏安特性的影响。结果表明:以空气为绝缘气体,负极性电晕可获得较稳定的伏安特性;改变电晕针长度和针尖对应电极结构可方便地实现对电晕放电伏安特性的调节以满足开关要求。     

高灵敏度电晕放电辐射信号探测方案

为了实现复杂电磁环境下电晕放电辐射信号的探测,从信号特征入手,通过对电晕电流的计算和模拟实验,揭示了电晕放电的时、频域特征。在分析自然环境下噪声频率分布规律的基础上,设计了窄频段探测技术,通过设计特定频段的定向天线、增加高频宽带低噪声放大器、应用数字处理终端等方式,搭建了高灵敏度的微弱信号探测系统,成功探测到自然环境中600m外的电晕放电辐射信号。实验结果充分证明了电晕放电辐射信号的远距离探测的可行性,为电晕放电目标探测提供了重要的技术手段。     

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。     

同轴磁场对非平衡磁控溅射系统放电特性的影响

采用激励电流可以调整的电磁线圈来激发非平衡磁场,调整约束磁场和放电空间等离子体状态。实验结果表明调整非平衡磁场显著影响系统的放电特性,使放电特性偏离常规的磁控溅射系统放电特性,增强了等离子体的引出效果。在Ar放电的条件下,详细研究了溅射系统的工作伏安特性随不同的工作气体、气压和溅射功率的变化规律。根据蔡尔得公式,讨论了非平衡磁场对于磁控溅射系统中放电特性的影响规律。     

基于电晕放电的大功率LED散热研究

针对大功率LED芯片的散热问题,提出了一种基于电晕放电原理的离子风散热方案。通过试验,研究了电晕放电的电学性能,同时探寻了放电电压对制冷效果的影响以及温降随电晕放电功率的变化规律。结果表明,放电间距相同时,对发生器施加负电晕能够在较低的电压下产生离子风,降温效果显著。电晕电流平方根与放电电压呈线性关系。电晕放电功率为1.5 W、放电间距为10 mm时,散热效果最好。