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.     

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。     

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.     

大气压下多脉冲均匀介质阻挡放电的研究

基于一维流体力学模型，数值计算研究了大气压下氦气中多脉冲均匀介质阻挡放电的形成原因和性质，分析讨论了所加电压频率、幅值及介质板性质等对多脉冲均匀放电的影响. 模拟结果显示，当放电间隙较小时，由于介质表面积累电荷增加，感应电场增强，在外加电压的每半个周期内，可以形成多个放电脉冲，这些脉冲相应于等时间间隔的分立击穿. 放电间隙越窄，半个周期内形成的脉冲数目越多. 所加电压频率和幅值的变化不仅影响脉冲的幅度，同时也使放电脉冲的数目发生变化，而介质层厚度及介电常数的变化对放电脉冲数目没有明显的影响. 关键词： 大气压均匀放电 介质阻挡放电 数值模拟 等离子体     

不同条件下大气压脉冲弥散放电特性

利用上升沿约0.5 s、半高宽约6 s、幅值可达40 kV的微秒脉冲电源和上升沿约150 ns、半高宽约300 ns、幅值可达50 kV的纳秒脉冲电源激励大气压弥散放电,并分别采用刀型和锯齿电极放电。通过电压电流测量和发光图像拍摄,改变施加电压种类、脉冲重复频率、高压电极结构和气隙距离等参数,研究了不同条件下弥散放电特性。实验结果表明:纳秒脉冲电源和微秒脉冲电源均能在大气压空气中激励大面积的弥散放电,弥散放电面积最大达90 cm2;放电的均匀性受脉冲参数与电极形状影响显著,其中刀型电极条件下纳秒脉冲激励的弥散放电均匀性最佳;相同条件下纳秒脉冲弥散放电的瞬时功率大于微秒脉冲弥散放电,最高可达275 kW,而纳秒脉冲弥散放电的能量小于微秒脉冲弥散放电;保持其他条件不变,弥散放电传导电流幅值随着气隙距离的增加而降低,放电强度随着脉冲重复频率的增加而增强,弥散放电的工作电压范围随着脉冲重复频率的增加显著降低。因此在低频、刀型电极结构中易于获得均匀与较大工作电压范围的大气压弥散放电。     

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.     

重复频率纳秒脉冲介质阻挡放电对聚对苯二甲酸乙二酯表面改性

介绍了0.1 MPa下的纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)材料表面进行的亲水性改善。分别采用均匀和丝状放电模式对PET表面改性处理,并采用水接触角测量、原子力显微镜观察、X射线光电子能谱分析对改性材料进行表面分析。实验发现介质阻挡放电处理后PET表面水接触角明显减小,接触角从78°下降到25°,但随处理时间的增加有饱和效应;PET表面粗糙程度增加,亲水性含氧基团被引入,从而改善了材料表面亲水性;纳秒脉冲下的均匀DBD比丝状DBD处理效果更为显著。     

常压He气和N$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;气均匀介质阻挡放电的伏安特性

对带有多电流峰的常压He气均匀介质阻挡放电与常压N₂气均匀介质阻挡放电的伏安特性进行了实验分析. 分析结果表明：实验结果与模拟结果相符. 在带有多电流峰的常压He均匀介质阻挡放电中,辉光放电模式和汤森放电模式可以共存于一个多电流放电序列内. 此外,在放电电流增长阶段,可以根据常压均匀介质阻挡放电的伏安特性曲线的微分电导来判断均匀介质阻挡放电的放电模式. 在放电电流增长阶段,如果电流脉冲的伏安特性曲线呈现负微分电导,则电流脉冲为辉光放电模式;如果呈现正微分电导,则为汤森放电模式. 由此可以判断,常压N₂气均匀介质阻挡放电为汤森放电模式. 关键词： 伏安特性 辉光放电模式 汤森放电模式 常压均匀介质阻挡放电     

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。     

大气压空气针-水结构脉冲气-液放电特性研究

利用纳秒脉冲电源激励大气压空气中针-水结构气液放电,研究了不同脉冲参数下的放电特性、等离子体特性和活化水中活性粒子浓度的变化规律。结果表明,在一个脉冲周期内放电分为3个阶段,其中发生在脉冲持续时间内和下降沿的两次放电较强,上升沿的放电较弱。当脉冲电压增大时,放电电流、平均功率、发光强度和发射光谱强度均逐渐增大;当频率增大时,放电电流几乎不变,但是功率显著增大,放电发光强度和发射光谱强度均增大。电压上升沿时间的增大则会减弱放电强度,相应的放电发光强度和发射光谱强度均减弱。而电压下降沿的增大则会增强放电,发光强度和发射光谱强度增大。当脉冲电压、频率和下降沿时间增大,H_2O_2,NO_2~-和NO_3~-浓度逐渐增大;而电压上升沿时间增大会导致3种活性粒子浓度逐渐降低。     

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.     

μs振荡脉冲电源激励下同轴电极介质阻挡放电特性

 采用μs振荡脉冲电源激励同轴电极结构产生空气中介质阻挡放电(DBD),通过电压-电流波形的测量及发光图像拍摄研究了放电特性,计算得到了放电功率及传输电荷量等重要放电参量,研究了电压幅值、气隙距离对放电特性及放电参量的影响,在分析放电机理的基础上对实验结果进行了解释。结果表明:μs振荡脉冲电源激励下,DBD平均放电功率可达上百W,传输电荷量可达几千nC;增大电压幅值和减小放电气隙距离能获得更剧烈的放电,平均放电功率和传输电荷量均增加。     

亚微秒脉冲表面介质阻挡放电等离子体诱导连续漩涡的研究

使用粒子激光图像测速技术对亚微秒脉冲激励表面介质阻挡放电激励器连续产生诱导漩涡进行了实验研究, 给出了包含脉冲重复频率和漩涡频率的双频率激励模式的具体形式. 实验过程中出现了原发型与继发型两类示踪粒子空白区, 前者由放电释热的微爆炸作用造成, 使得诱导流动远离壁面, 能够减小壁面摩擦阻力的作用; 以暴露电极左侧继发型空白区被完全吹除作为重复启动激励的临界点. 为提高控制效果应采用尽可能高的脉冲重复频率, 漩涡时间内脉冲数量应大于10, 最大诱导速度随脉冲数量增大而增大, 但动量传递效率降低. 使用亚微秒脉冲激励具备释热、体积力两种作用机理. 关键词： 双频率亚微秒脉冲 表面介质阻挡放电 连续漩涡     

常压空气亚微秒脉冲DBD高速摄影研究

为研究亚微秒脉冲激励常压空气介质阻挡放电(DBD)时空演化规律,采用高速摄影相机(ICCD)在ns量级时间曝光范围内,分别在单次及连续放电(500Hz)情况下研究放电等离子体的发光性质及放电发展过程。结果表明:在亚微秒高压脉冲平行板结构放电条件下,起始阶段放电表现出不均匀性,随着电流增大发光增强并变得均匀,在回路电流最强位置时放电达到均匀状态,并且放电均匀性在回路电流下降阶段明显好于其上升沿阶段,放电发光强度与电流波形可以很好的吻合。在一定外界参数条件下,二次放电的存在受到电源重复频率、电压幅值等参数的影响。在单次放电条件下可以明显观测到二次放电的存在,相较于一次放电,二次放电更加均匀;连续状态放电模式下几乎观察不到二次放电。     

纳秒脉冲放电对聚对苯二甲酸乙二酯憎水改性

基于自主研制的ns脉冲电源(上升沿约70ns,脉宽约100ns)激励介质阻挡放电产生大气压低温等离子体,在CF4气氛下对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)表面进行了憎水改性处理,测量了改性前后的薄膜表面的水接触角,给出了CF4气流量、放电电压、处理时间和CF4比例等参数对改性效果的影响规律。结果表明,大气压ns脉冲DBD表面处理能够实现PET材料的憎水性,改性后的PET表面水接触角由66°提高到最大100°。     

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.     

Polymerdimethylsiloxane surface treatment with an atmospheric pressure helium plasma jet driven by unipolar nanosecond pulses

A nanosecond-pulse power source transfers energy to electrons of atmospheric pressure discharges in a nanosecond-scale rising time and shows different plasma chemistry than a slowly varying sinusoidal discharge. We report how the operation parameters, such as applied voltage, pulse duration, and repetition frequency, affect the discharge characteristics and the surface property of polydimethylsiloxane (PDMS). The applied voltage controls the energy delivery per a pulse cycle, and the repetition frequency dominantly affects the plasma density in a long-term operation. The water contact angle, the optical emission spectroscopy, and the atomic force microscope diagnostics on the PDMS are presented. While the polarity of the nano pulse bias changes the emission length of the plasma jet, the hydrophilicity is not affected by it because the chemical reactions by radicals are more dominant than the physical reactions of charged particles on PDMS.     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。