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采用纳秒脉冲电源,在静止空气条件下,开展了不同气压、放电距离和电压条件下的大体积纳秒脉冲放电实验研究.研究表明,当长度固定为200mm时,气压为250Pa时,随着电压的增大,放电区域从圆锥电极附近扩展到整个通道.当电压为12kV时,放电布满整个通道;随气压升高,初始放电电压增大.实验中发现在电压升高到一定程度时纳秒脉冲电离出现不稳定性,表现在气压相对较低时等离子体出现径向波动,气压相对较高时非平衡等离子体放电向电弧放电转变.分析认为,为了实现大体积均匀放电等离子体的产生,阻止放电不稳定性发生,应该采用上升沿时间更短,脉宽更小,电压更高的纳秒脉冲电源.     

大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理

经典放电理论(Townsend和流注理论)解释纳秒脉冲气体放电存在局限性,近年来基于高能电子逃逸的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注.但是目前对大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理研究仍较少,严重阻碍了纳秒脉冲放电等离子体的应用发展.本文利用一维粒子模型,对幅值为20 kV的纳秒脉冲电压驱动下,间隙长为1 mm的板-板电极之间的大气压空气放电中逃逸电子的产生机理进行了数值模拟研究..结果表明,在空间电荷动力学行为的影响下,板-板电极之间出现了增强电场区域,使得电子可以满足电子逃逸判据而进入逃逸模式.此外,还观察到放电通道前逃逸电子的预电离效应导致了二次电子崩的产生,随着二次电子崩与放电通道不断汇聚,引导并加速了放电通道的发展,最终导致气隙击穿.本研究进一步揭示了纳秒脉冲板-板放电机理,拓展了纳秒脉冲气体放电基础理论,为纳秒脉冲放电等离子体的应用和发展开辟了新的机会.     

纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究

经典的放电理论(Townsend和流注理论)不能很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来基于高能量电子逃逸击穿的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注,有研究发现,高能逃逸电子是纳秒脉冲气体放电中的新特征参数,本文研制了用于测量纳秒脉冲放电中逃逸电子束流的收集器,并对脉宽3—5ns、上升沿1.2—1.6 n8激励的大气压纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流进行了测量,收集器采用类似法拉第杯的原理,利用金属极收集纳秒脉冲放电中的高能电子,并转换为电信号后由示波器采集,为了获得更好的逃逸电子束流波形,对逃逸电子束流收集器进行了优化设计,提高了收集器的阻抗匹配特性,基于上述的逃逸电子束流收集器,研究了纳秒脉冲气体放电中逃逸电子的特征,实验结果表明,所设计的收集器可以有效地测量到逃逸电子束流,改进设计后收集器测得的逃逸电子柬流的时间分辨率和幅值均得到提高,施加电压约80 kV时,大气压空气中的逃逸电子束流幅值可达160 mA,脉宽小于1ns,多个脉冲激励放电的结果表明逃逸电子束流收集器具有较好的可靠性,其瞬态响应与时间分辨率比较稳定。     

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.     

大气压管板结构纳秒脉冲放电中时域X射线研究

纳秒脉冲放电能在大气压下产生高电子能量、高功率密度的低温等离子体,由于经典放电理论无法很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来以高能逃逸电子为基础的纳秒脉冲气体放电理论受到广泛关注.纳秒脉冲放电会产生高能逃逸电子,伴随产生X射线,研究X射线的特性可以间接反映高能逃逸电子的特性.本文利用纳秒脉冲电源在大气压下激励空气放电,通过金刚石光导探测器测量放电产生的X射线,研究不同电极间隙、阳极厚度下和空间不同位置测量的X射线特性.实验结果表明,在大气压下纳秒脉冲放电能产生上升沿约1 ns,脉宽约2 ns的X射线脉冲,其产生时间与纳秒脉冲电压峰值对应,经计算探测到的X射线能量约为2.3×10-3J.当增大电极间隙时,探测到的X射线能量减弱,因为增大电极间隙会减小电场强度和逃逸电子数,从而减少阳极的轫致辐射.电极间距大于50 mm后加速减弱,同时放电模式从弥散过渡到电晕.随着阳极厚度增加,阳极后方和放电腔侧面观察窗测得的X射线能量均有所减弱,在阳极后面探测的X射线能量减弱趋势更加明显,这说明X射线主要产生在阳极内表面,因此增加阳极厚度会使穿透阳极薄膜的X射线能量减少.     

常压下气体放电等离子体振荡的实验与理论研究

在实验上研究了高压交流电弧发生器电极间隙的气体放电及等离子体振荡, 观察到了气体放电过程中的纳秒脉冲.以电子的流体运动方程和麦克斯韦方程为理论基础, 利用δ函数来描述交变外电场作用下电极处的电子堆积现象,建立了常压下气体放电时等离子体在外电场中振荡的理论模型,通过Laplace变换求解出电极间的放电电压.理论与实验结果基本符合, 从而可估算出实验中等离子体的电子数密度为1.3× 10¹²/m³.     

纳秒脉冲气体放电机理探讨

 经典Townsend机理和流注理论是气体放电研究的基础,但在解释纳秒脉冲气体放电时均存在一定缺陷。基于经典气体放电理论,探讨纳秒脉冲气体放电机理,分析流注理论判据在纳秒脉冲气体放电中的有效性,解释纳秒脉冲下电子逃逸现象和基于电子逃逸的快速电离波击穿理论,仿真计算高能快电子的逃逸过程。结果认为基于高能量快电子的逃逸击穿将是可能解释纳秒脉冲下气体放电现象的依据。     

基于电致伸缩效应的水中纳秒脉冲放电起始机制

水中纳秒脉冲放电的起始阶段包含了丰富的物理过程,现有实验诊断技术在揭示数纳秒内液体中电荷输运、倍增过程方面还有不少困难,放电起始的机制尚不明确.本文建立了针板电极二维轴对称水中放电物理模型,仿真研究纳秒脉冲导致的水中电致伸缩效应、空化过程和随后的液体电离过程.结果表明,在纳秒脉冲电压作用下,电致伸缩效应可导致针尖附近数微米区域内的液体发生空化,形成大量纳米尺度的空腔;空腔在其表面电致伸缩压强的作用下膨胀,为电子提供了加速空间;高能电子可引发水分子的碰撞电离,使局域液体被快速电离.电致伸缩机制为理解水中纳秒脉冲放电的起始过程提供了新的视角.     

纳秒脉冲表面介质阻挡放电特性实验研究

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:纳秒脉冲表面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。     

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。     

短波接收天线系统核电磁脉冲注入试验

为评估高空核电磁脉冲(HEMP)对某型短波接收天线系统的威胁,对包含浪涌保护器在内的天线前端设备进行HEMP传导注入试验。采用纳秒级快前沿方波源和双指数波电流源,分别测试不同浪涌保护措施的快脉冲响应。结果表明,主要由于天线末端的气体放电管在高过压比下很快动作(1 ns量级)、信号浪涌保护器内瞬态电压抑制器(TVS)限幅、信号传输设备内放大器饱和限幅等多重作用,注入幅度约3.5 kV的快前沿方波、电流峰值1.8 kA的双指数波(20/500 ns)脉冲都能及时泄放,只在传输设备输出端产生一个幅度饱和(< 3 V)、持续μs量级的干扰信号。对这一类低工作电压天线系统,利用基于市售浪涌保护器的多重防雷措施能够同时实现对核电磁脉冲传导环境的防护。     

Generation of large-scale radiative vortex structures at stagnation of pulsed plasma jets in air

Large-scale vortex structures forming when pulsed plasma jets of the capillary discharge stagnate in atmospheric air are investigated. It is shown that injection of high-enthalpy plasma jets into air may effectively generate electromagnetic radiation from the optical range: the energy yield of radiation reaches 20–37% of the total energy content of the plasma. The radiation pulse has a complex time waveform including micro-and nanosecond components.     

Experimental research of diffuse bi-directional pulsed dielectric barrier discharge plasma

A bi-directional nanosecond pulsed power supply is employed to generate diffuse dielectric barrier discharge in N₂ using needle-plate electrode configuration at atmospheric pressure. Both discharge images and optical emission spectra of diffuse bi-directional nanosecond high-voltage pulsed dielectric barrier discharge are successfully recorded under severe electromagnetic interference. The diffuse performance of the discharge at different electrode gap distances is observed. The effects of pulse peak voltage, pulse repetition rate, electrode gap distance, He addition, and O₂ addition on the optical emission spectra are investigated. The main physicochemical processes involved are discussed.     

大气压尖板电极结构重复频率纳秒脉冲放电中X射线辐射特性研究

文章通过碘化钠晶体和光电倍增管构成的X射线探测系统,研究了上升沿15ns,脉宽30-40ns量级,电压90kV的大气压重频纳秒脉冲气体放电中X射线的辐射特性,X射线有效探测能量范围为10-130keV.结果表明放电产生的X射线主要集中在20-90keV能量范围,而能量在十几keV的软X射线和超过90keV的高能X射线数量很少.X射线辐射计数随脉冲重复频率的增加而增加,随着气隙距离的改变存在峰值,且峰值出现在弥散放电模式.     

重复频率脉冲流注放电演变现象与机制研究进展

重复频率脉冲流注放电是低温等离子体前沿应用的关键使能因子,然而,高重复频率脉冲作用下流注放电呈现复杂的不稳定和记忆效应现象,放电基础演变机理和调控方法尚不完善,极大影响应用的安全性和放电特性调控的有效性。综述了重复频率脉冲流注放电演变现象与机制的研究进展。首先归纳了重复频率脉冲流注放电的强非线性和渐进式演变特征,然后分析不同类型放电记忆效应因子对后续流注起始和传播的作用机制,最后总结了脉冲波形参数对重复频率脉冲流注放电的影响规律。凝练了重复频率脉冲流注放电演变机制研究的若干挑战,对脉冲放电等离子体机理研究具有一定的借鉴作用。     

紧凑型重复频率高压纳秒脉冲电源及其仿真模型

纳秒脉冲等离子体在诸多实际的工程应用中依赖于小型化且可靠的纳秒脉冲电源实现。设计了一种紧凑型全固态高压纳秒脉冲电源,该电源主要由直流电源部分、绝缘栅双极晶体管及其驱动控制电路、可饱和脉冲变压器、磁脉冲压缩网络等组成。通过理论计算分析、PSpice电路仿真以及实验研究表明,其最终可以在800 的输出负载阻抗上获得幅值40 kV、脉冲宽度100 ns左右、脉冲上升沿约50 ns的高电压脉冲,重复频率最高可达5 kHz。     

Nanosecond volume gas discharge in a flow with gasdynamic discontinuities

Experimental results concerning the interaction of pulsed volume ionization with the supersonic gas flow in a shock tube are described. The spatiotemporal and spectral characteristics of a nanosecond volume discharge plasma with ultraviolet preionization from plasma electrodes are presented. It is shown that the ionization region can be localized using gasdynamic discontinuities. The coincidence of the glow region with the discharge energy release region is discussed.     

Plasma supported combustion

Oxidation of molecular hydrogen and different hydrocarbons in stoichiometric mixtures with air and oxygen in the pulsed nanosecond discharges was studied at room temperature, and the detailed kinetics of the process has been numerically investigated. In the discharge afterglow, the reactions including electron-excited particles play a dominant role for the time up to 100 ns, ion–molecular reactions—for the time of microsecond range, and reactions including radicals mostly contribute for the time interval of several milliseconds. The principal role of processes with formation of excited components that support the development of the chain mechanism of oxidation has been shown. The spatial uniformity of the gas-mixture combustion initiated by a high-voltage nanosecond volume discharge is investigated at gas pressures of 0.3–2.4 atm and temperatures of 1000–2250 K. The self-ignition time and the time of discharge-induced ignition are determined. It is found that the discharge significantly (by 600 K) decreases the ignition temperature with very low energy in the discharge (10⁻² J/cm³). The influence of gas excitation by a pulsed nanosecond discharge with a high-voltage pulse amplitude up to 25 kV on the properties of a premixed propane–air flame has been investigated over a wide range of the equivalence ratios (0.4–5). It was experimentally found that the flame’s blow-off velocity increased more than twice at a discharge energy input less than 1% of the burner power. Efficient production of active radicals under the action of a barrier discharge has been observed. The increase in the flame’s propagation velocity is explained by the production of atomic oxygen in a discharge by the quenching of electronically excited molecular nitrogen N₂ and the dissociation of molecular oxygen on electron-impact. A numerical model has been developed, which describes the influence of pulsed electric discharges on the ignition, combustion, and flame propagation.     

Emission properties of a plasma cathode based on a glow discharge for generating nanosecond electron beams

The emission properties of a plasma cathode based on a nanosecond pulsed glow discharge with currents of up to 200A at a pressure of 5×10⁻² Pa are studied experimentally. Stable ignition and burning of the discharge are ensured if the current in the auxiliary pulsed discharge is 25–30% of that in the main discharge and its pulse duration exceeds that of the main discharge by more than an order of magnitude. Emission current pulses from the cathode with amplitudes of up to 140A fully reproduce the discharge current and are determined by the transparency of the grid anode. Zh. Tekh. Fiz. 69, 62–65 (November 1999)