同轴电极结构下真空放电等离子体生成及传播特性

采用放电电流为100~300 A、持续时间为13 s的单脉冲电源,设计了两种同轴电极结构作为放电阳极,分别为筒状电极、喷嘴状电极。利用MAXWELL 3D电场仿真软件对两种电极结构下的电场分布进行了仿真分析,并采用探针法对放电生成的等离子体的参数进行了测量,分析讨论了同轴电极结构对真空放电等离子体生成特性的影响。选取喷嘴状电极结构作为阳极,分别测量了采用铅、铝、铜三种材质的阴极时生成的等离子体的扩散速度及能量。实验与仿真结果表明:当阳极为喷嘴状电极时阴极尖端的电场强度较大,测得放电电流较大,击穿电压较低,等离子体密度也较大;采用铝材质阴极时生成的等离子体扩散速度最快,采用铅材质阴极时生成的等离子体的离子动能最大。     

O2中α型射频放电的理论研究

根据射频放电中电流连续性方程、稳态时电子数密度的连续性方程以及电子的能量平衡方程,建立了气体放电氧碘激光器中α型射频放电等离子体的理论模型,通过数值求解得到了射频放电等离子体中电场、电子数密度的空间分布,分析了放电参数对放电特性的影响.结果表明采用频率高的射频放电会使放电空间电场降低,电子数密度增加,从而有利于单重氧的生成,为提高气体放电中单重氧的产率提供了理论依据.     

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     

PICPMCC 数值模拟四阳极直流辉光放电

利用OOPIC 代码并结合MCC 方法考察四阳极低气压直流辉光放电中粒子间的碰撞, 并对其进行了数值模拟。首先分析OOPIC 代码的计算流程, 给出模拟的边界条件和时间、空间步进; 然后对所得到的等离子体密度、温度的分布情况进行了分析。结果表明, 放电气压、电流以及环电极的有效宽度均影响等离子体密度和温度的径向分布。当气压为300Pa 时, 电子密度在径向较大范围内是均匀分布的, 而当气压升高到800Pa 时, 其径向不均匀增大, 且总的密度和电子的平均温度下降。放电电流的增大使得等离子体密度和温度均相应升高。但环电极有效宽度的减小使得等离子体密度的分布更不均匀, 并使总的密度和平均温度均下降。     

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。     

针环式电极大气压下氩气等离子体射流长度影响因素研究

为掌握反应器结构参数和放电参数对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的射流长度的定量影响,设计了多结构的针-环式电极氩气等离子体射流装置,分别研究了放电电压、电极间隙、高压电极放电末端与接地电极的距离及氩气体积流量对射流长度的影响,并采用发生光谱法对该反应器产生的等离子体电子激发温度进行了计算。结果表明：等离子体射流的最大长度可达80 mm;高压电极放电末端与接地电极之间的距离越大,射流长度越长但不是线性增长;射流长度随电极间隙的增加呈现先增大后减小的趋势且在电极间隙为4.5 mm时该射流达到最大长度;随着氩气体积流量的增加,等离子体射流长度也呈现出先增大后减小的趋势且减小的幅度较低;电子激发温度在高压电极和接地电极处较高,两电极之间部分次之,在石英管出口处会有比较明显的下降。     

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。     

常压针-板放电等离子体密度演化

分别采用Stark展宽法、图像法诊断等离子体电子密度,研究常压针-板放电等离子体电子密度随放电参数的演化.实验结果表明,降低电源的脉冲频率,减小等离子体的电极间距和采用细径电极,都有助于提高等离子体密度.利用全局模型分析影响电子密度变化的因素可知,随着脉冲频率的下降,等离子体放电体积减小,导致电子密度上升.在电极间距减小的过程中,电子密度变化则是降低等离子体吸收功率与减小放电体积共同作用的结果,其中放电体积的减小起到了更为主导的作用,导致电子密度上升.此外,采用细径电极也可以使等离子体放电体积减小,从而有利于获得较高的电子密度.     

氮气射频放电与直流放电PIC/MC模拟的比较

建立氮气容性射频等离子体过程的PIC/MC模型,将模拟结果与直流放电进行比较.结果表明:射频等离子体粒子(e,N₂⁺,N⁺)的平均密度较直流放电约大-个量级,在射频电极附近粒子(e,N₂⁺,N⁺)的平均能量比直流放电阴极附近的能量低3倍左右;密度偏低的原子离子N⁺在两电极附近具较高的能量,能量较低的分子离子N₂⁺在放电空间具较高密度,N₂⁺的密度大约是N⁺的6倍;计算的电子能量几率分布与测量结果-致.     

较大体积的大气压空气介质阻挡放电特性研究

利用三电极介质阻挡放电装置, 在主放电区产生了较大体积的大气压空气均匀放电. 利用光学与电学方法, 对主放电特性进行了研究, 发现随驱动功率的不同, 主放电存在等离子体羽和等离子体柱两种模式, 等离子体羽的击穿电压随外加电压峰值的增加而减小. 利用光电倍增管对两种放电模式进行了空间分辨测量, 发现等离子体羽是以发光光层的形式传播, 而等离子体柱是连续放电. 通过采集两种放电的发射光谱, 对其振动温度和转动温度进行了测量. 发现两种放电模式的振转温度均随着U_p的增大而降低. 关键词： 介质阻挡放电 等离子体羽 等离子体柱 发射光谱     

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。     

直流激励的大气压氩气喷枪的光谱研究

利用正高压驱动空心针-板喷枪装置,通入工作气体氩气,在大气压空气中产生了均匀稳定的喇叭状等离子体羽。电学和光学测量结果表明,放电虽然是在直流电源驱动下工作,但放电为周期性的脉冲。通过对等离子体羽发光信号进行空间分辨测量,研究了脉冲的形成机理,发现除针尖附近的电晕放电外,等离子体羽是以正流光(等离子体子弹)从针尖向着接地电极方向传播的。采用光谱学方法,对电子激发温度随电压的变化及其空间分布进行了测量。结果表明,电子激发温度(约为3 eV)随电压的增大而升高,在一定电压下,电子激发温度沿气流方向也在升高。     

Cable guns as a plasma source in a plasma opening switch

The characteristics of a plasma generated by cable plasma guns have been studied by a laser interferometer. Cable plasma guns are frequently used as a plasma source in plasma opening switches. In our experiments, the plasma source consists of eight coaxial cable guns mounted on the outer electrode of concentric coaxial electrodes. The reproducibility of the gun in subsequent shots is found to be better than 10%, and the gun-to-gun difference is less than 15%. Assuming a symmetry of eight guns, the contour maps of the electron plasma density are plotted as functions of time. The plasma density becomes maximum near the gun nozzle and near the inner coaxial electrode. The plasma density is low in the area between the coaxial electrodes during the early time of the discharge. At a later time, the plasma fills the space between the two guns more uniformly. Still photographs of the plasma luminosity show a good correspondence with the plasma density plots which were taken 10 μs after the discharge initiation. The plasma gun system is designed for use in a 400-kA inductive voltage adder with the inductive energy storage system     

大气压脉冲调制射频氩气放电等离子体特性的数值研究

基于等离子体流体理论,建立了大气压脉冲调制射频氩气放电的一维流体模型。通过数值模拟的方 法研究了放电参数(放电电极间距、射频频率)对氩等离子体特性的影响。研究结果表明：当电压固定时,随着电 极间距的增加,等离子体区逐渐增大,最大电子密度也增加,在 0.20cm 达到最大值后略有降低;放电电流密度 与输入功率密度随着电极间距的增加而增加;鞘层区电子温度随着电极间距的增加而降低;在脉冲开启前期,等 离子体区电子温度随着电极间距的增加而增加,但当脉冲开启后期,电极间距对等离子体区电子温度影响较小。 不同射频频率下最大电子密度随电极间隙的增加而减小,也具有一个最优值。      

大气压下石英毛细管内氩等离子体放电的发射光谱诊断

在长度为20 cm的石英毛细管内利用两个边缘锋利的中空的针型电极之间的氩气放电产生了高电子密度的大气压等离子体。利用发射光谱对所获得的等离子体的几个重要参数进行了诊断。利用计算机谱线拟合法合成了300 nm附近OH(A-X)的(0-0)转动谱带并通过与测量谱线的比较确定了等离子体的气体温度,根据H_β谱线Stark展宽法计算了等离子体的电子密度,采用玻尔兹曼曲线斜率法依据测得的有关氩的发射光谱估算了等离子体的电子温度。研究结果表明,这种石英毛细管内弧光放电等离子体的气体温度约为(1 100±50)K;电子密度数量级在1014 cm-3;电子温度约为(14 515±500)K。     

Effect of electrode configuration on plasma spatial distribution and gas temperature in multi-arc plasma generator with three pairs of electrodes

In this paper, a novel nonthermal multi-arc plasma generator with three pairs of electrodes is presented to obtain large-volume plasma. The discharge behaviour of multi-arc is investigated through high-speed photography. Statistical process of the photographic images of arc discharge is used for analysis of the effect of electrode configuration on arc spatial distribution and fluctuation of plasma flow. Besides, the gas temperature is diagnosed by diatomic molecular OH fitting method. Results show that the electrode configuration has vital effect on the spatial distribution of plasma in discharge area. A relatively stable region with high luminance is obtained in the centre of the discharge area by adjusting the electrode arrangements, in which the plasma gas temperature in swirl flow field is higher than that in straight flow field in multi-arc generator. Furthermore, the fluctuation of plasma flow weakens in multi-arc generator with electrode configurations capable of producing swirl flow field.     

Effect of atmospheric pressure dielectric barrier discharge air plasma on electrode surface

In order to study the influence of plasma on electrode, atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) air plasma is employed here to treat copper electrode surface. Plasma is generated between the parallel plate electrodes by means of high voltage produced by a high-frequency power supply with transformer. Electrode surface alterations induced by air plasma are investigated by using field emission scanning electron microscope (FE-SEM), X-ray energy dispersion spectroscopy (EDS) and contact angle measurement. The results show that DBD air plasma removes the organic contaminant on surface and causes electrode surface roughness, oxidization and nitridation. In addition, surface wettability is also improved, as concluded from contact angle measurements.     

Two-dimensional numerical study of an atmospheric pressure helium plasma jet with dual-power electrode

In this paper,the characteristics of an atmospheric pressure helium plasma jet generated by a dual-power electrode(DPE) configuration are investigated by using a two-dimensional fluid model.The effect of a needle electrode on the discharge is studied by comparing the results of the DPE configuration with those of the single ring electrode configuration.It is found that the existence of the needle leads to the generation of a helium plasma jet with a higher propagation velocity,higher species density,and larger discharge width.Furthermore,the influences of the needle radius and needle-to-ring discharge gap on the generation of a plasma jet are also studied.The simulation results indicate that the needle electrode has an evident influence on the plasma jet characteristics.