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。     

大气压低温氦等离子体射流的诊断研究

为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程,通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器,在放电频率10 kHz,一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流。通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值,而对放电时间、电流脉冲数的影响不大。增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会得到较大幅度增加。通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、电子激发温度、电子密度进行了诊断。结果表明,大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、N₂第二正带系、N+₂的第一负带系、羟基（OH）,H原子的巴尔末线系（H_α和H_β）与O原子,这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%,但其中仍残留有少量的空气,同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。还可以发现,主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。选用He Ⅰ原子的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算,得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间,电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。但由于反向电场的存在,某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况;根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算,发现电子密度的数量级可达1015 cm-3,同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。     

高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验研究

本文针对恶劣条件下滑动弧等离子体放电稳定性问题,搭建了高气压交流旋转滑动弧放电实验系统,开展了高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验,并对其放电特性、电弧运动特性、光谱特性进行了分析.研究结果表明:随着介质气体压力的升高,滑动弧放电的电压、电流、能量均呈现增大趋势,当介质气体压力升高到0.52 MPa时,滑动弧放电的能量从常压下的84.74 J增大到147.13 J;且随着介质气体压力的升高,电弧的击穿频率并不是单调变化,而是在0.2 MPa时达到最大为26.55 kHz;高气压下电弧运动过程中会出现“弧道骤变”现象;随着介质气体压力的升高,滑动弧放电的整体光谱发射强度呈现变强趋势;通过两谱线法对滑动弧放电的电子激发温度进行了计算,常压下滑动弧放电的电子激发温度为0.8153 eV,随着介质气体压力的升高,电子激发温度呈现升高趋势,当介质气体压力达到0.4 MPa时,滑动弧放电的电子激发温度升高至5.3165 eV.     

脉冲放电脱硫反应器中高能电子密度分布的光谱研究

脉冲流光放电产生的大于等于11.2 eV的高能电子能将处于基态的氮分子激发到N₂(C3Π_u)态,测试脉冲流光放电时的N₂(C3Π_u→B3Πg)发射光谱相对强度可以得出脉冲流光放电产生的高能电子的密度。实验在室温常压下研究了空气中线-板式脉冲流光放电脱硫反应器内高能电子密度分布情况,并研究了脉冲电压、反应器的线线间距对反应器内高能电子密度分布的影响。实验结果表明,反应器内的高能电子主要集中在放电线附近高电场区内,随着离放电线的距离增大,高能电子密度减小;脉冲电压对高能电子密度有很大影响,随着电压的升高,高能电子密度基本呈线性增大;线板间距固定,线线间距为线板间距的0.6～1倍时,反应器内高能电子密度分布较为均匀。     

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。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

透镜到靶材的距离对脉冲激光诱导等离子体的影响机理研究

采用高功率抽运调Q激光器分别在真空和空气中烧蚀Ti-Al合金靶材激发等离子体,研究了在不同气体压强下透镜到靶材的距离对等离子体参数的影响机理对于焦距为111mm的聚焦透镜,当透镜到靶材距离小于透镜焦距时,随着距离逐渐接近焦距,真空和空气中电子温度、电子密度和谱线强度均逐渐增强.当透镜到靶材距离大于透镜焦距时,真空中,电子温度和电子密度仍然继续升高,而谱线强度却变化不大.空气中,等离子体参数却有不同的演化特性:等离子体的电子温度、电子密度和谱线强度在透镜到靶材距离为107 mm时达到最大值,当距离继续增大时,均呈现出迅速下降的趋势,当透镜到靶材距离大于112mm时,电子温度和电子密度又有明显上升,特征谱线强度却大幅下降.     

大气压氩气放电六边形斑图的电子激发温度研究

采用特殊设计的气体介质阻挡放电实验装置,对大气压氩气放电六边形斑图的放电信号及激发光谱进行了测量。采用发射光谱强度比法,计算了放电丝呈六边形斑图时的电子激发温度。实验发现,随着驱动电压频率的升高,六边形斑图的电子激发温度明显升高,各放电通道之间的放电时间相关程度提高。该工作对控制斑图的形成和研究斑图动力学具有重要参考价值。     

棒-板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析

本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒-板电极负电晕放电混合数值模型, 模型中加入了27种主要碰撞反应, 并考虑了光电离和二次电子发射过程. 对棒-板间距3.3 mm, 施加电压-5.0 kV情况下进行数值计算, 得到负电晕放电的特里切尔脉冲. 重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律, 丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程, 主要结论如下: 随着放电时间的发展, 电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小, 这对电子崩的发展非常不利. 大部分放电区域都是电中性的, 只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性, 带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动. 整个特里切尔脉冲持续过程中, 阴极鞘内电子密度几乎为0; 特里切尔脉冲前期, 阴极鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变; 随着放电时间的增加, 放电间隙内电子密度整体增加, 并且向阳极发展. 在特里切尔脉冲后期, 电子的产生主要来自于N₂和O₂的碰撞电离, 电子的消失则主要由N₂⁺的复合决定, O₄⁺和O₂^-分别是数量最多的正离子和负离子. 关键词： 负电晕 混合模型 特里切尔脉冲 微观特征量     

空气中空心阴极不同放电模式下的发光特性

为了进一步揭示空心阴极放电中放电模式的转换机制,特别是空心阴极放电过程中自脉冲的形成机理,利用柱型空心阴极放电结构,在空气环境下研究了放电处于不同模式时的发光特性。测量得到了不同放电模式下的伏安特性曲线、放电发光图像、自脉冲阶段的脉冲波形等。实验结果表明随着放电电流的增加放电分为汤生放电模式、自脉冲放电模式、正常辉光放电模式和反常辉光放电模式。虽然所用电源为直流电源,但在自脉冲放电阶段电流和电压随时间呈周期性变化。实验结果表明在不同的放电模式下具有不同的发光特性。在由汤生放电转换为自脉冲放电模式和由自脉冲模式转换为正常辉光放电模式过程中,放电腔的径向中心处和轴向孔口附近均存在光强的突变。实验同时在200～700 nm范围内测量得到了不同电流时的发射光谱。结果表明发射光谱主要集中在330～450 nm,主要包括氮分子的第二正带系(C3Π_u→B3Π_g )和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+_u→X2Σ+_g）。其中氮分子离子第一负带系具有较强的发射光谱。由于B2Σ+_u激发电位较高,因此该谱带较强发射光谱的存在表明空心阴极放电较其他放电形式更容易获得高激发态粒子和高能量电子。在650～700 nm附近存在一弱的发光谱带,主要为氮分子的第一正带发射谱（B3Π_g→A3Σ+_u）。在此基础上根据双原子光谱发射理论,结合氮分子第二正带系的三组顺序组带：Δν=-1,-2和-3,利用玻尔兹曼斜率法计算得到了不同放电模式下氮气的分子振动温度。结果表明在实验电流范围内分子振动温度在3 300 K左右,随着电流的增加而升高,并且在自脉冲消失时存在一突变迅速增强。由于电子能量、电子密度与分子振动温度密切相关,因此该结果也表明随着放电电流的增加电子平均能量和电子密度不断增加,当脉冲消失时,电子平均能量和电子密度出现跃变升高。最后,对空心阴极放电中自脉冲的形成机理进行了讨论,结果表明自脉冲放电源于放电模式的转换。     

大气压脉冲调制射频氩气放电等离子体特性的数值研究

基于等离子体流体理论,建立了大气压脉冲调制射频氩气放电的一维流体模型。通过数值模拟的方 法研究了放电参数(放电电极间距、射频频率)对氩等离子体特性的影响。研究结果表明：当电压固定时,随着电 极间距的增加,等离子体区逐渐增大,最大电子密度也增加,在 0.20cm 达到最大值后略有降低;放电电流密度 与输入功率密度随着电极间距的增加而增加;鞘层区电子温度随着电极间距的增加而降低;在脉冲开启前期,等 离子体区电子温度随着电极间距的增加而增加,但当脉冲开启后期,电极间距对等离子体区电子温度影响较小。 不同射频频率下最大电子密度随电极间隙的增加而减小,也具有一个最优值。      

介质阻挡放电等离子体中OH自由基的光腔衰荡光谱原位诊断

研制了一套等效噪声吸收可达3×10^-9cm^-1的连续波光腔衰荡光谱装置。用该装置对介质阻挡放电等离子体中的OH自由基和水进行了原位定量测量,考察了OH自由基数密度随气压和放电电压以及放电频率的变化情况。实验结果表明,在(2.13~22.0)Χ10³Pa范围内,随着气压增加,OH自由基数密度在气压较低时增加;而在较高气压时由于H₂O的解离吸附作用使得体系中电子密度减小,OH自由基数密度随之减小。随放电电压和放电频率增加介质阻挡放电等离子体中电子密度和电子能量增加而导致OH数密度增加。     

大气压氩气环境下体积介质阻挡放电光谱特性

通过介质阻挡放电产生的等离子体可与燃料中的烃类分子发生碰撞裂解反应,将燃料分子裂解生成更容易起爆的氢气和小分子烃类,能有效改善液体燃料连续旋转爆震发动机的起爆性能。该研究在真空仓中开展体积介质阻挡放电的丝状放电光谱测试,分析了大气压氩气环境下体积介质阻挡放电的电子激发温度和电子密度随加载电压的变化规律。丝状放电的电子激发温度通过波尔兹曼斜率法计算,电子密度采用斯塔克展宽法计算。发现发射谱线均由氩原子4p-4s能级跃迁产生;各谱线强度随加载电压的提高均呈上升趋势,且与电压基本呈线性关系;对于大气压丝状放电,加载电压对电子激发温度和电子密度没有明显影响作用,加载电压12.5～14.5 kV范围内,电子激发温度稳定在3 400 K附近,电子密度在1025 m-3量级。     

大气压下氩原子谱线辐射诊断试验研究

大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、深广度、常态化等优势,针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器,在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV(间隔1.0 kV)条件下进行了氩气电离试验。采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度;根据Stark展宽效应计算了电子密度;获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。结果表明,在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给,而是取决于气体组份、气体压强和放电模型,增大外加放电电压仅增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K符合典型的低温等离子体特征;电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势,电子密度数量级可达到108～109 cm-3,电离度偏弱。这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。     

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。     

气流对微秒脉冲滑动放电特性的影响

脉冲电源驱动的滑动放电能够在大气压下产生高能量、高功率密度的低温等离子体. 为了研究微秒脉冲电源在针-针电极结构中产生滑动放电的特征, 本文采用电压幅值为0–30 kV, 脉冲宽度约8 μs, 脉冲重复频率为1–3000 Hz的微秒脉冲电源, 通过测量电压、电流波形和拍摄放电图像, 研究了微秒脉冲滑动放电的电特性. 实验结果表明, 随着施加电压的增加微秒脉冲滑动放电存在三种典型的放电模式: 电晕放电、弥散放电和类滑动放电. 不同放电模式的电压、电流波形和放电图像之间差异显著. 脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性有影响, 表现为当气体流量较小(2 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐集中, 而当气体流量较大(16 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐分散. 不同气流下重复频率对滑动放电特性的影响与放电中粒子的记忆效应和气流的状态有关.     

直流大气压电晕放电电子密度的光谱研究

利用自制针—板式放电装置,在大气中进行电晕放电实验。用发光区域照片光斑的大小,讨论了电晕层厚度与电源电压的关系。在相同针板间距下,电晕层厚度随着电压的升高而增大;在相同电压下,电晕层厚度随着针板间距的增大而减小。由于高能电子密度能够通过氮分子第二正带系337.1 nm的光谱强度大小反映,因此对氮分子第二正带系337.1 nm谱线的强度用发射光谱法进行了测量。实验结果发现在针尖附近高能电子密度最大,并且高能电子密度随电压的升高而增大;电压一定时,高能电子密度随针板间距的增大而减小。在针板间距和电源电压不变的情况下,高能电子密度随针尖曲率半径的减小而增大。     

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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.     

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。     

低气压长间隙介质阻挡放电的光谱诊断

设计了一种电极间隔为10 cm的介质阻挡放电装置,以氩气为工作气体,在低气压下产生等离子体。采用发射光谱法,研究了放电空腔内等离子体电子温度和电子密度随空间位置的变化规律。等离子体电子温度的变化通过使用Corona模型计算获得,等离子体电子密度的变化通过分析Ar原子750.4 nm谱线强度变化得到。实验发现空腔内不同位置的等离子体电子温度和电子密度是不同的。当测量位置从阴极向阳极移动时,电子温度先略上升而后迅速下降,再缓慢上升;电子密度先缓慢而后迅速地增大。