液体介质微/纳秒脉冲放电的特性与机理:现状及进展

液相放电是高电压与绝缘技术领域持续的研究热点,深入理解微/纳秒脉冲放电的特性与机理有利于促进液相放电在电气装备设计优化、深远海勘探、先进材料制备等前沿领域的创新与突破。总结梳理了近年来液体介质微/纳秒脉冲流注放电特性与机理研究的进展,从放电模式与转化、分叉行为、击穿过程等方面阐释了流注放电的基础特性,归纳了液体电导率、压强、溶解气体、杂质与添加剂等物性参数对流注放电特性的影响规律,分析了液体介质流注放电起始与发展机制（包括气泡理论、液相直接碰撞电离、场致分子电离、电致伸缩效应等）及其适用范围。在此基础上,展望了液相放电领域的发展方向和面临的挑战,为相关领域的基础研究和工程应用提供参考。     

纳秒脉冲电晕放电成像技术

阐述了脉冲电晕放电成像的物理过程,根据气体放电的流光理论,采用纳秒脉冲放电技术,获得了清晰的电晕放电的硬币成像图像,并展望其应用前景。     

水中脉冲放电的电特性与声辐射特性研究

对水中脉冲放电等离子体通道电阻与放电参数之间的关系作了研究,得到了等离子体通道电阻与电容量、初始电压、电极间距离的关系,以及通道电阻随时间的变化规律.还对冲击波的峰值压力与放电参数间的关系作了研究,并对冲击波压力的功率谱作了分析,结果表明水中脉冲放电所产生的冲击波的声辐射频率在几十赫兹到几万赫兹之间,覆盖了所有水声设备的工作频率,且在低频段具有很强的声功率,是一种理想的水下声源 关键词： 水中脉冲放电 等离子体     

无铅陶瓷中的电致伸缩效应

电致伸缩是一个二次方效应,应变正比于极化强度的平方,比例系数称为电致伸缩系数[Qij].一般固体电介质都能产生电致伸缩效应.对立方晶系的材料来说,电致伸缩系数张量为 当外加电场沿方向1时,E2=E3=0,纵向应变为通过测量材料的应变与外加电压的关系Xi～Vi,和极化强度与外电场的关系P1～Ei,就可以求得电致伸缩系数 电致伸缩效应在天文学、光学通信、激光调制等方面有着广泛的应用.与压电效应相比,它具有重复性好,不需极化,无老化问题等优点.电致伸缩是一个二次方效应,一般较小,不易观察到.已经发现,在具有扩散相转变特征的铁电固溶体中,当…     

基于连续谱的氩气纳秒脉冲放电中电子温度的研究

采用了一种针对针的放电结构,将其放置在一个高纯氩气的密闭腔室中,通过施加正极性的过电压产生可重复的大气压纳秒脉冲放电,并提出建立大气压放电的连续辐射模型来诊断氩气纳秒脉冲放电中的电子温度.实验利用电压和电流探头分别获取放电过程中的电压和电流波形图,其放电脉宽约为20 ns.通过消色差透镜、单色仪和ICCD等光学系统的组...     

气体放电中纳秒脉冲波形的实验研究

在利用示波器测试交流电弧发生器的一级放电回路的振荡波形时,在主振荡波形中观测到纳秒脉冲振荡波形.针对纳秒脉冲振荡波形进行了实验研究和初步的理论分析,所采用的实验方法能够为气体放电的纳秒脉冲研究提供一种新的实验依据.     

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。     

纳秒脉冲空气辉光放电等离子体及应用

采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源,在两个金属电极之间产生放电区间为1 600 mm×100 mm×25 mm的常压辉光空气等离子体。等离子体发生器采用负高压针电极阵列与平板阳极结构,针电极的直径为1 mm,长度为20 mm,针电极之间的间隔为20 mm,针电极与平板零电位之间的距离为25 mm,在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电,在平板地电极则形成大面积辉光放电。采用电压探针测量了该新型等离子体的放电特性,结果表明：放电脉冲的上升时间为26 ns,最高脉冲输出峰值电压为27 kV;利用该辉光等离子体对幅宽为1 000 mm聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性处理,处理后其表面接触角由原来的124°降到69°,亲水性能大为提高。     

纳秒脉冲放电处理有机染料废水的实验研究

随着印染行业的快速发展,印染废水的排放与日俱增。由于废水中的有机物具有成分复杂、难以降解的特点,若未经有效处理直接排放,会对生态环境造成严重的污染和危害。试验设计了一种多针-网式反应器循环处理有机组分为酸性红73（AR73）的模拟废水,其采用自行设计的基于TLT（Transmission Line Transformer）的高压重频纳秒脉冲电源驱动。电源可以产生峰值电压为50 kV,脉宽40 ns,上升沿20 ns的纳秒脉冲信号,工作频率可达500 Hz。试验考察了峰值电压、放电频率、染料初始质量浓度及作用时间等因素对AR73降解效果的影响。为评价处理效果,采用紫外分光光度法分别测量了废水中剩余染料浓度、过氧化氢浓度等指标。结果表明,在初始浓度30 mg/L,循环流量3.4 L/min,放电间距30 mm,峰值电压44.26 kV,放电频率200 Hz条件下处理30 min,AR73降解率可以达到83.20%,单次脉冲注入能量为11.73 mJ,过氧化氢浓度为47.36 μmol/L,反应器脱色能效（G₅₀）可以达到31.07 g·kW⁻¹·h⁻¹。增大放电电压可以进一步提高AR73降解率,溶液中活性物质浓度提高,但是能量效率有所下降。     

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。     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明:纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

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。     

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。     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明：纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

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100 ns、脉宽150 ns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。     

纳秒脉冲放电紫外光纤阵列检测与定位方法

峰化电容作为电磁脉冲模拟器中用于陡化脉冲输出的关键部件,在实际工程应用中易发生沿面放电和击穿现象,采用光电检测系统可对绝缘沿面放电现象进行有效分析。针对峰化电容器沿面放电监测的技术难题,研制了一套绝缘沿面放电过程光电检测系统,对绝缘沿面放电现象进行光电检测。首先提出了绝缘介质沿面放电过程光电探测系统的设计方案;其次,对系统的时延性能进行了评价;最后,完成了绝缘介质沿面放电过程定位实验,验证了光电探测系统的可行性。实验表明,该系统能够实现对放电区域的有效定位。     

阵列微孔阴极放电触发的纳秒脉冲开关

为了实现在大气压下低触发电压的多通道放电,以阵列微孔阴极结构作为触发装置设计了一种新型纳秒脉冲开关。以激光打孔的双面环氧板为阵列微孔阴极,研究了开关工作系数、微孔阴极放电电流、微孔阴极孔数及微孔阴极孔径对开关触发电压、延迟和抖动时间的影响。实验结果表明：更多的阵列微孔、100 m的微孔孔径能够降低开关的触发电压,同时高开关工作系数、大触发电流、多阵列微孔能够减少开关的延迟和抖动时间。因此,为了获得更高性能的纳秒脉冲开关,除了对开关结构的进一步改善,这几个影响开关性能的因素是设计开关时应主要考虑的。     

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.     

阵列微孔阴极放电触发的纳秒脉冲开关

为了实现在大气压下低触发电压的多通道放电,以阵列微孔阴极结构作为触发装置设计了一种新型纳秒脉冲开关。以激光打孔的双面环氧板为阵列微孔阴极,研究了开关工作系数、微孔阴极放电电流、微孔阴极孔数及微孔阴极孔径对开关触发电压、延迟和抖动时间的影响。实验结果表明:更多的阵列微孔、100 m的微孔孔径能够降低开关的触发电压,同时高开关工作系数、大触发电流、多阵列微孔能够减少开关的延迟和抖动时间。因此,为了获得更高性能的纳秒脉冲开关,除了对开关结构的进一步改善,这几个影响开关性能的因素是设计开关时应主要考虑的。     

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