纳秒脉冲等离子体合成射流激励器的流场特性分析

采用一台高重频、快上升沿纳秒脉冲电源作为激励源,对典型的双电极合成射流激励器进行放电,通过粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）测量放电实验中激励器稳定流场特性以及发展速度.分析实验结果发现,随着重复频率的提高,合成射流的平均发展速度也随之增大,1 kHz时的平均速度最高达到28.28 m/s,并在单脉冲能量远低于微秒脉冲的情况下,实现了更快的稳态流场控制,表明高重复频率下,更多次数的脉冲放电可提高激励总能量,有效地弥补纳秒脉冲单脉冲输出能量不足的缺点.而且频率越高,流场发展速度越快,说明高重频工作模式会对输出总能量有补偿作用.      

全固态双极性纳秒脉冲电源研制及应用

研制了一种双极性交替的纳秒高压脉冲电源,进行了双极性纳秒脉冲放电产生等离子体研究。该电源先通过固态开关IGBT将直流电压截断成电压脉冲,通过可饱和脉冲变压器拓扑,实现升压并缩短脉冲上升沿。该电源可在一个周期内输出极性相反的2个脉冲,且时序可以灵活控制。通过优化调整器件参数,研制了两种不同输出性能参数的双极性纳秒脉冲电源:①峰值电压10 kV、爆发模式脉冲重复频率500 kHz（正负脉冲间隔2 μs）、连续重复频率1 kHz;②峰值电压25 kV、爆发重频200 kHz、连续重频600 Hz。测试电源的运行性能,发现电源存在温度升高的情况,但长时间（＞0.5 h）运行温度趋于稳定。10 kV电源连续运行在1 kHz时最高温度点50.5 ℃;25 kV电源连续运行在600 Hz时最高温度点60 ℃。利用该电源驱动线板电极阵列和表面介质阻挡放电结构,证实了该电源可以用于常压空气条件下产生大面积等离子体。     

高重复频率纳秒脉冲放电特性

纳秒脉冲放电可用于产生非平衡态等离子体,提高脉冲重复频率有利于提高纳秒脉冲放电中的等离子体参数。采用脉冲重复频率达到30 kHz的纳秒脉冲电源放电产生大气压等离子体,并研究了放电特性及等离子体参数。结果表明在重复频率较高的情况下,击穿电压和击穿时延仍随重复频率的增加而持续下降,但降幅减少,出现饱和现象。计算了放电功率和单脉冲能量随频率的变化,发现高重复频率下,虽然单脉冲放电能量不断降低,但由于单位时间内脉冲个数的增加,放电总功率随脉冲重复频率的增加而不断增加。此外,通过Ar原子光谱获得的电子温度为0.8～2.5 eV,证明高重复频率纳秒脉冲放电产生的等离子体为典型的非平衡态等离子体。本研究能够为高重复脉冲纳秒脉冲放电的应用中反应条件优化提供参考。     

大气压低温等离子体发射光谱检测含磷有毒气体（模拟剂）方法研究

化学气体毒剂杀伤快、易扩散、难处置,一旦使用或泄露将对国家安全和社会稳定造成巨大威胁,因此有必要发展一种可以现场实时检测化学毒害气体的方法。目前,传统气体检测方法主要包括红外吸收光谱、气相色谱/质谱、离子迁移谱和各种气体传感器等,但其便携性、灵敏度、广谱性难以兼得,无法完全满足现场检测需求。基于发射光谱（OES）响应快、灵敏度高、广谱性好、可重复性强的独特优势,提出了一种大气压低温等离子体发射光谱检测技术。分别以纳秒高压脉冲、直流自脉冲和微波作为等离子体激励源,使用毒性较小的甲基膦酸二甲酯（DMMP）作为沙林模拟剂进行发射光谱检测;以乙醇作为环境有机干扰物,对乙醇与DMMP光谱进行了主成分分析;并探究了放电脉冲频率与特征光谱强度的关系。结果表明,三种激励源产生的等离子体都可辨别出DMMP特征光谱：P原子特征谱线波长为213.82和215.09 nm,PO基团谱带波长为253.67和255.6 nm。光谱识别度方面,使用微波激励源时DMMP特征光谱最为明显,而使用纳秒脉冲与直流自脉冲激励源时光谱连续本底强烈。方法适用性方面,微波等离子体无电极污染、但需要氩气维持,可作为建立毒害气体发射光谱数据库的手段;而纳秒脉冲与直流自脉冲激励源可在常压空气环境中直接检测。三种激励形式下等离子体区域都存在气体加热效应,微波等离子体气体温度最高（约1 300 K）,而纳秒脉冲和直流自脉冲放电气体温度相近（分别约为980和880 K）。研究发现,提升脉冲重复频率可以显著增加DMMP特征光谱强度,其与脉冲频率在1~40 kHz内呈线性关系（相关系数大于0.98）。所提出的大气压等离子体发射光谱检测方法具有响应快、操作简单等优点,可扩展性强、具有小型化潜力,为毒害气体快速检测装备研发提供了技术参考。