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。     

纳秒脉冲激励Ar/PDMS介质阻挡放电特性

介质阻挡放电(DBD)因其能够在大气压下产生大面积等离子体,在材料改性领域具有广阔应用前景。为获得高活性、可调控、适用于憎水改性的DBD等离子体,本文以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为憎水性反应媒质,以Ar作为工作气体,采用纳秒脉冲电源激励产生介质阻挡放电。改变电压幅值、重复频率、上升沿时间等激励源参数,通过电学特性、发光特性和光谱特性诊断方式,获得了激励源参数与放电均匀性和粒子活性的关系。结果表明,重复频率对粒子活性影响最显著,随着重复频率增加,光谱强度显著增大,粒子活性增强,这对于提高憎水改性效果具有显著作用。此外,增大电压幅值和上升沿时间也可提高粒子活性,但增大电压幅值会导致放电均匀性下降,而上升沿时间超过200 ns会对粒子活性产生抑制作用。     

大气压脉冲调制射频放电中相关时间尺度效应的数值模拟

近年来,大气压射频放电由于可以产生大体积均匀的等离子体而引起人们极大的关注,引入脉冲调制后,所产生的脉冲调制等离子体与连续等离子体相比表现出不同的放电行为,这为研究大气压射频放电中不同的时间尺度关系提供了条件。本文基于一维流体模型,以首电流脉冲为研究对象,研究了电压变化时间(射频频率)、电压施加时长和电压关断时长对放电的影响,讨论了电场变化、带电粒子迁移与带电粒子扩散之间不同时间尺度的关系。计算结果表明,首电流脉冲现象仅出现在电压变化时间较短,即电压变化率较高的条件下;随着电压施加阶段的延长,首电流脉冲将明显增强,稳定后的放电电流也有所增加;随着电压关断阶段的延长,首电流脉冲先增强后减弱,稳定后的放电电流则一直减小。本文的研究有助于深刻理解大气压射频放电中不同时间尺度之间的关系,为实际应用中放电参数的选择提供理论依据。     

直流电压激励单电极氩气射流阵列的放电模式

大气压等离子体射流在诸多领域具有非常广泛的应用。为了提高大面积材料的处理效率,通常需要将多个射流排列为射流阵列,但由于阵列中等离子体羽间的相互作用,实际上很难产生大面积均匀等离子体羽。针对于此,本文利用直流电压激励单电极氩气射流阵列,产生了大面积均匀等离子体羽。研究发现,在低电压下放电为分立的等离子体羽,而高电压下为均匀片状等离子体羽。片状等离子体羽随着电压、氩气流量及空气流量的增加而变长。电学和光学测量结果表明,分立等离子体羽的放电电流和发光信号均为频率很高的小脉冲。片状等离子体羽的电流和发光信号为频率很低的大脉冲,并且在两个大脉冲之间也存在着小脉冲。利用高速影像对分立羽和片状羽的产生机制进行了研究。结果表明分立羽中阳极羽对应正流光放电机制,而阴极羽对应汤森放电机制。片状羽的击穿机制也是流光机制,流光击穿后会产生辉光放电丝,此后辉光微放电丝沿着气流向下游运动。此外,利用光纤测温仪对片状等离子体羽的气体温度进行了研究,发现片状等离子体羽的气体温度不超过65℃。     

基于发射光谱的大气压脉冲调制氩表面波等离子体的特性

以微波表面波形式激励的大气压放电等离子体能够在远离发生器的区域产生高密度等离子体且无需波导约束电磁波传输,从而提高了实际应用中微波耦合等离子体的处理效率和可操作性。本文介绍了表面波等离子体源的装置结构及其放电机制。基于等离子体发射光谱,利用Hα谱线的斯塔克展宽法和谱线-连续谱比值法分别诊断了等离子体中电子密度和温度,研究了脉冲调制等离子体在放电过程中电子密度和温度随瞬时功率、调制频率和轴向位置的变化规律,以及氩原子谱线强度的时间演化,并讨论了对电子密度和温度的影响机制以及等离子体余辉过程中激发态氩原子的产生机制。结果表明,等离子体电子密度可达～1015 cm-3且与局域微波耦合能量密度呈正相关,而电子温度受外部条件的影响相对较小,激发态氩原子主要由类似沙哈平衡过程控制。     

典型大气压冷等离子体射流的剂量评估

在大气压冷等离子体(Cold atmospheric plasma, CAP)的生物医学应用中，不同强度的CAP处理生物材料会带来具有显著差异的作用效果。因此，引入等离子体剂量来定量化描述等离子体对材料的作用量，从而获得理想的CAP处理效果，对于推动CAP的生物医学应用具有十分迫切的需求。药学中常采用“半数致死剂量(LD₅₀)”描述药物毒性，而我们前期的研究工作表明该方法也适用于等离子体剂量的评估，且具有通用性强、操作便捷等特点。本论文基于LD₅₀-等离子体剂量评估方法获得了大气压射频辉光放电等离子体射流处理人体胚胎肾293细胞的LD₅₀数值，并与另一种典型CAP源，即大气压介质阻挡放电等离子体射流的剂量值进行了对比和分析。本论文工作进一步验证了LD₅₀-等离子体剂量评估方法的可靠性和便捷性，也为两种典型CAP源在生物医学等领域的实际应用提供了一定的理论指导和剂量参考。     

电极间距对表面介质阻挡放电产物生成的影响

表面介质阻挡放电可以产生大气压低温等离子体,在空气净化领域有着重大的应用前景。为探究电极间距对表面介质阻挡放电中臭氧及氮氧化物生成的影响,建立二维流体模型进行数值模拟研究。模拟结果表明,在微秒脉冲电压上升沿阶段电流脉冲的个数及幅值均随着电极间距的增大而减小;减小电极间距可以提高臭氧产量,但增大电极间距可以提高臭氧产率。另一方面,NO含量随着电极间距的增大而减少,其余氮氧化物含量几乎不变。本研究对表面介质阻挡放电中有效和有害物质进行了综合模拟分析,能够为表面介质阻挡放电臭氧发生器的设计和优化提供一定的参考。     

大气压氩气介质阻挡放电特性的一维粒子仿真

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的一种常见放电方式。本文建立了大气压下氩气DBD的一维PIC/MCC模型,采用了粒子自适应权重(APM)以及基于OpenMPI的并行计算策略,考虑了带电粒子在介质板上的积累以及复合反应。本文针对频率500 kHz,幅值电压3 kV正弦电压激励下放电的时空演化特性进行仿真研究,得到了其汤森放电、辉光放电等阶段中的放电特征,研究了电压幅值、气隙间距、介质板介电常数等参数对放电特性的影响。     

正电晕放电等离子体降解甲醛气体

甲醛作为一种典型的挥发性有机物(VOCs),是室内空气污染的主要来源。近年来,大气压放电等离子体用于环境治理成为研究热点。本文设计制作了一种基于S型气体通道的多针对板的放电反应器,采用高压直流电源放电产生电晕,利用空气电离产生的活性成分来达到降解甲醛气体的目的。研究结果表明：随着施加电压的增高,甲醛降解率也随之提高,施加电压为18.5 kV时甲醛降解能量效率达到最大值;随着气体流速的增加,甲醛降解率随之降低,气体流量为30 L/min时能量效率最大;随着甲醛初始浓度的增加,降解率随之降低;在电晕放电所产生的成分中,臭氧与甲醛降解关系密切,有无甲醛两种条件下,放电生成的臭氧浓度变化与甲醛浓度变化规律相似;S型放电通道设计使等离子体降解甲醛更高效,在大流量处理甲醛气体的应用中具有现实意义。     

基于微空心阴极的空气等离子体射流研究

本文采用钼片-陶瓷-钼片的三明治型结构,研究了微空心阴极放电产生的空气等离子体射流特性.钼电极和陶瓷层的厚度均为0.8 mm,中心为0.5 mm的通孔,以压缩空气作为放电气体.上述结构在正、负直流电源驱动下均能获得等离子射流.实验结果表明,对于相同放电电流和相同气流条件下,正直流电源驱动放电所获得的等离子体射流长度略大于负直流电源下的射流长度.当气流量较低时,气流为层流状态,放电可处于稳定的直流辉光模式;当气流量较高时,气流处于湍流状态,放电主要为自脉冲模式.在湍流模式下,射流长度均随气流量的上升而增加.     

脉冲电絮凝法处理餐饮废水的研究

利用脉冲电源电解的方式消除了铝阳极絮凝过程中的钝化现象，电解电流半衰期、极化后开路电位、废水的化学需氧量（CODcr）和油的去除率等实验结果表明，脉冲电絮凝可消除铝阳极的钝化，提高电解电流效率；在相同的去除率时，脉冲电絮凝比直流电絮凝节能30%；在选定的实验条件下脉冲电絮凝处理餐饮废水的优化参数值为：电流密度6.8A/m^2,脉冲频率0.15Hz,占空比0.7。     

复合结构60A电流型WEDM脉冲电源设计与实现

本文提出了一种电流型WEDM脉冲电源的设计方案,其具有较大的脉冲峰值电流,并便于调整,能够实现窄脉宽．脉冲频率高,只输出单向矩形脉冲,脉冲波形的前沿和后沿陡直,脉冲参数能在较宽的范围内可调,既保持了逆变式电源的优点,又具备了独立式脉冲电源相近的加工性能．     

用于显性脉冲式触发器的新型低功耗脉冲信号发生器

脉冲式触发器具有吸收时钟偏移和速度快的优点,为了实现高性能低功耗脉冲式触发器,提出了2种用于显性脉冲式触发器的新型低功耗双边沿脉冲信号发生器.第1种采用延时的时钟信号控制脉冲发生器内部节点的充放电路径,使它们交替导通来产生脉冲信号,减少了直流短路电流,降低了动态功耗;第2种在时钟上升沿和下降沿分别采用NMOS传输晶体管和级联PMOS管直接输出高电平脉冲信号,使其具有平衡的脉冲产生时间,有利于实现对称的输入信号建立时间,以达到脉冲式触发器最小的输入输出延时.通过HSPICE仿真,与以往同类的脉冲信号发生器相比,本文提出的2种脉冲信号发生器在平均功耗、速度、总沟道宽度等方面均有明显的优势,适用于设计高性能低功耗显性脉冲式触发器.     

针-环-板电极结构下大气压He等离子体射流模拟研究

电极结构是影响大气压等离子体射流特性的一个重要因素,研究不同电极结构下等离子体射流的传播行为,对优化射流装置、满足不同的应用需求具有重要意义。本文采用二维轴对称流体模型,模拟研究了针-环-板电极结构下,当环电极所加电压及环电极位置不同时,大气压氦等离子体射流的传播行为。模拟结果显示,在模拟条件下,不论环电极位置如何,环电极接地时射流的电子密度都高于环电极与针电极接相同高压时射流的电子密度,而且射流结构也不受环电极位置影响。但是环电极的位置不同,射流的传播速度和传播距离不同。当环电极距离管口较远时,环电极接地产生的射流传播较快,与环接高压相比,相同时间内获得的射流更长;当环电极距离管口较近时,则环电极与针电极接相同高压产生的射流传播更快。文章中对这些行为形成的物理机制也进行了分析和讨论。     

基于密度泛函理论计算的二次电子发射对放电等离子体特性的影响

离子诱导二次电子发射(SEE)过程是低温等离子体的基本物理过程。电介质上的表面电荷在SEE过程中起着重要作用,从而影响放电等离子体动力学过程。不同于之前研究通过简化电子结构和表面电荷参数进行计算的模型,基于俄歇中和与密度泛函理论(DFT)模型,采用一种更精确的方法计算了含氮掺杂的氦气大气压介质阻挡放电(DBD)中介质表面有电荷累积的MgO的二次电子发射系数(SEEC),并在此基础上分析了其对DBD时空特性的影响。为了更直观地观察介质表面电荷对SEE过程的作用,引入放电过程中表面残留电荷较少的削波电压与正弦电压进行比较。结果表明,削波电压下的放电过程前后无明显变化,而正弦电压下放电峰值时刻的相位提前,电流幅值明显减小,电子的空间分布更加弥散,这不仅验证了本研究DFT模型计算的有效性,还为进一步研究DBD放电的物理过程奠定了理论基础。     

气体放电等离子体的耗散结构和密度涨落

本文采用非平衡动力学和随机理论方法讨论了直接电离、电子离子复合情形下的气体放电等离子体密度的耗散行为和涨落;得到稳定性条件和耗散结构分枝解。密度涨落的时间关联特性可以用一个参数C2完全描述。文中解出了等离子体中的涨落波波谱。但其谱性质与线性谱不完全相同。当考     

非对称脉冲超强激光产生的尾场空泡区和超空泡区中的正电子加速

在震荡中心哈密顿原理的(oscillation-center Hamiltonian)框架下,讨论了用非对称圆极化的强激光脉冲激发的尾场和在超空泡区中加速正电子的相关问题.研究内容包括:在超强激光所激发的空泡后区中的尾场正电子加速方法和在超空泡区中的雪梨(snow-plow)正电子加速方法.通过理论分析和数值模拟方法定性地比较了2种正电子加速方法的有效加速性能.结果显示,尾场加速的效果比雪梨加速好,2种加速方法中激光脉冲振幅与被加速正电子的能量之间分别存在着指数关系和线性关系.文中还分析了正电子最大尾场和雪梨加速能量与等离子体密度之间的关系     

磁场增强大气压等离子体射流对镍钴合金泡沫的表面改性

用磁场增强大气压等离子体射流（APPJ）限域改性镍钴合金泡沫（NCF）,并在纯水中原位生长镍钴氢氧化物(NiCo（OH）2),探讨等离子体射流对氢氧化物纳米材料电催化性能的影响。结果表明：磁场可有效提高APPJ改性位置的放电强度和活性粒子浓度,提升镍钴氢氧化物纳米晶核的形成密度,加速后续纯水中氢氧化物生长速度。此外,氧化物纳米六方体镶嵌在纳米片边缘,有利于增强电催化稳定性。制备的MOx-M（OH）2/PMNCF电极材料在碱性溶液中(1 mol·L-1 KOH)传递析氢（HER）析氧（OER）电流密度为100 mA·cm-2时,过电位分别为248和385 mV,优于其他化学法制备的同类材料。本文为过渡金属化合物电催化材料的绿色构建提供了一种新方法。     

针对室内空气污染处理的交直流耦合大气压辉光放电

通过构造交直流耦合电极结构,形成了较大面积的辉光放电并进行了空气净化研究。首先,研究了碳纤维螺旋电极的电场分布特征,分析了非均匀电场产生大气压空气辉光放电的可能性。其次,提出了碳纤维螺旋电极与网状电极的交直流耦合放电模式,分析了网状电极施加不同极性直流电压对电场分布的影响。结果表明,网状电极施加正极性直流电压时,利用碳纤维螺旋电极放电产生种子电子,可以在5 mm间隙内形成弥散的辉光放电。最后,利用制作的空气净化装置在60 min内将甲醛、TVOC和细颗粒物等污染物的浓度都降到国家标准以下。     

射频等离子体压力传感器及其在动态压力测量中的应用

为精确测量高温高压严苛环境下的动态压力数据,本文设计了一种基于射频等离子体原理的压力传感器,并研究了该传感器在不同电源输出功率时对气压变化的响应规律,及不同温度环境下的工作特性,最后利用该传感器在低速轴流压气机实验台上进行了叶顶动态压力场的测量。实验结果表明,射频等离子体压力传感器电极间隙为220μm时,气压从0.4 atm升高到4.5 atm,灵敏度为0.22 V/kPa;标准大气压下环境温度从25℃上升到400℃时,传感器两端维持电压基本不变,说明该传感器在此温度范围下不具有温度敏感性;低速轴流压气机叶顶动态压力场测量实验结果表明,等离子体压力传感器和Kulite压阻式传感器具有同样捕捉叶片通过频率和叶顶泄漏流的自激非定常特征频率的能力。