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。     

介质阻挡放电斑图中放电通道的相互作用研究

在近大气压介质阻挡放电中，研究了六边形斑图的空间波长随放电参数的变化，仔细观察了稳定的六边形中放电通道的产生及运动行为.结果表明空间波长随电压增加而减小，变化曲线与放电间隙和气压有关.电压升高，边界处生成新的放电丝，位于六边形最外层顶点处新生成的放电丝沿径向运动，而位于六边形边长上新生成的放电丝的运动方向平行于距其最近的C₂轴(过六边形顶点). 继续升高电压，放电丝变为条状进而形成螺旋波或靶波.在观察实验结果和分析放电丝受力的基础上，认为放电区域可能存在一种类似二维库仑晶体中存在的约束势. 关键词： 介质阻挡放电 斑图 放电通道 约束势     

沿面型介质阻挡放电喷枪的发光特性及气体温度研究

利用氩气作为工作气体,采用正弦电压驱动沿面型等离子体喷枪,在大气压空气环境中产生了均匀的等离子体羽。电学和光学测量结果表明,等离子体羽放电只存在于外加峰值电压的正半周期,并且正半周期的放电脉冲个数随气体流量的增加而增加。通过对正半周期不同位置的发光脉冲信号进行比较,发现等离子体羽均按子弹形式传播,其中每一个发光脉冲均对应一次等离子体子弹传播过程。通过对比放电电流和等离子体羽的发光信号,发现等离子体羽的发光脉冲滞后于放电电流脉冲,且该延迟时间基本服从正态分布。该延迟时间随着外加电压峰值及气体流量的增大而减小。利用光纤测温仪测量了等离子体羽的气体温度,发现气体温度随外加峰值电压的增大而升高,随工作气体流量的增大而降低。通过分析放电过程,对上述现象进行了定性解释。     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

Normal current density effect in RF-discharge according to resultsof two-dimensional numerical modeling

For the first time, the normal density effect is demonstrated by modeling a two-dimensional cylindrical column of a moderate pressure RF-discharge operating in the α-regime. When the current increases, the discharge column is expanded, with the current density and voltage on the electrodes being unchanged. It is clarified why the boundary between currentless and current (filled with plasma) regions is stabilized. Outside the plasma zone, the gas temperature and the gas density at constant pressure are lower (no Joule's energy release) than those in the plasma zone, therefore the normal voltage is not sufficient to maintain plasma there. It is shown that simple one-dimensional models give quite reasonable results for parameters of the normal discharge     

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在四阳极直流放电装置上,测量并分析了辉光放电的电流-电压和发光特征随气压的变化关系。结果表明,采用稳流放电模式比稳压放电具有更宽的稳定放电气压和电流范围,能在从1～800Pa的较宽气压范围内实现氦气辉光放电,放电电流可达到500mA左右。随着电极表面亮斑的变化,对于同一气压,在低电流区,放电电压几乎成指数增长;随电流增大,电压的增长速度变缓;对于高的气压,碰撞频率的增大使得电压随电流升高的速率变小。分析表明,放电处于异常辉光区。从放电管的CCD图像可以看出,对于同一放电电流,随气压的升高,等离子体往阴极收缩。     

介质阻挡放电中单晶胞白眼斑图的光谱研究

在介质阻挡放电系统中,空气和氩气混合气体的实验条件下,第一次实现了只具有一个单元结构的白眼斑图。该斑图的结构从中心位置向外依次为：中心点,围绕中心点的环和环外六个点。由于出现该单晶胞白眼斑图时的电压较低,而本实验采用的水电极中的水的比热容大,具有良好的吸热性,这使斑图在放电过程中放电气隙间的气体的温度没有升高,并且放电现象没有发生变化。因此在实验过程中,单晶胞白眼斑图在长时间放电的情况下并没有使其等离子体状态发生改变。由普通照相机所拍摄的图片可以看到,单晶胞白眼斑图的中心点,围绕中心点的环和环外六个点的亮度有明显不同。在不同压强下该斑图的稳定性有所不同,并且中心点,围绕中心点的环和环外六个点的亮度随压强的变化有所不同。鉴于此,本实验采用了发射光谱法,研究了单晶胞白眼斑图中不同位置处(中心点、环及外围六个点)的等离子体温度随压强的变化关系。其中,分子振动温度使用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线来计算;电子激发温度利用氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)与772.13 nm(2P₂→1S₃)两条谱线强度值进行比较的方法进行研究;电子密度利用氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽来测量。发现在同一实验条件下,单晶胞白眼斑图的中心点的电子激发温度、电子密度和分子振动温度均最低,环外六个点相应的电子激发温度、电子密度和分子振动温度次之,环相应的电子激发温度、电子密度和分子振动温度均最高;随着气体压强从40 kPa增大到60 kPa,单晶胞白眼斑图不同位置处的电子密度增高但分子振动温度和电子激发温度均降低。本实验结果有助于进一步研究自组织斑图形成的机制。     

Time-resolved electrical and optical measurements in a plasmadisplay panel

We have used a commercially available monochrome plasma display panel (PDP) to study the electrical and optical properties of PDPs. The monochrome PDP was filled with helium at a pressure of 0.5 atm with the visible light emission observed directly from the gas discharge. The PDP is driven by an AC voltage source, operating at ~130 V at 50 kHz. With nanosecond resolution we have measured the current in the panel and the spectrally resolved light emission from the panel as a function of applied voltage. This study of a helium-filled conventional PDP is designed to provide data needed for improved modeling calculations of the plasma discharge. The ultimate goal is to achieve improved designs and efficacies for large-screen color PDP's     

喷射等离子体触发气体开关导通特性

利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N₂作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。     

氮气交流放电光谱强度和电压及气压的关系

利用浓度调制光谱技术,测量了玻璃管中放电频率20 kHz时N2的介质阻挡放电光谱.实验记录了N2的C3∏u-Bb∏g357.7nm和B2∑ u-X2 g391.4 nm的跃迁谱线光谱强度随小同电压和气体压强变化规律.实验数据显示,保持气体压强p=130 Pa不变,在电压较低时,光谱强度随电压增长较快,在电压较高时,光谱强度增长较慢;保持放电电压U=6.4 kV不变,光谱强度随气压增长逐渐变小.根据电子和分子碰撞激发函数和电离函数,建立光强随放电参数变化的物理理论模型和公式,并对实验数据进行数学拟合,拟合曲线与实验结果符合较好,相关系数R>0.9.进一步明确了等离子体发射光谱强度随不同电压和气体压强变化的机理.     

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。     

激励电压对沿面介质阻挡放电特性的影响分析

近年来, 沿面介质阻挡放电(SDBD) 用作大气压下气流控制的等离子体激励器因其众多的优点受到了广泛的关注. 然而, 国内外对沿面介质阻挡放电及其应用的研究尚处于探索阶段, 对其放电特性的影响因素缺乏规律性的认识. 因此, 对SDBD 相关特性和影响因素进行研究具有重要理论意义和应用价值. 本文使用频率5 ~20 kHz,峰值电压0~30 kV 的可调正弦交流电源激励大气压环境下的 SDBD 装置. 通过调节激励电压大小, 研究了其与SDBD 放电特性之间的关系, 对等离子体放电电流、 放电形貌、 功率损耗、 诱导气流以及机械效率进行了分析. 实验结果表明,SDBD 消耗功率、 放电强度和诱导气流均会随着激励电压的增大而增大, 但机械效率存在先增大后减小的趋势, 说明等离子体流动控制中研究中存在最佳效率点.     

介质阻挡放电丝模式和均匀模式转化的特性

利用水电极介质阻挡放电装置,采用电学方法和发射光谱,研究了空气中介质阻挡放电从微放电丝模式向均匀放电模式转化的过程. 结果表明,大气压下增大外加电压或者电压一定减小气压,放电都能够从微放电丝模式过渡到均匀模式. 高气压下放电为流光击穿而低气压下为辉光放电. 利用放电发射光谱,研究了高能电子比例随实验参数的变化. 结果表明气压减小时高能电子比例增大,电压增加时高能电子减少. 利用壁电荷理论对以上实验结果进行了定性分析. 结果对介质阻挡均匀放电的深入研究具有重要价值. 关键词： 介质阻挡放电 光学发射谱 微放电丝 均匀放电模式     

不同电极结构下介质阻挡放电电离特征的试验研究

由于具有工作气压高、放电均匀等特点,大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。电极结构是电离特性的主要影响因素之一,因此,通过电极结构优化来改善电离特性,对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。为改善大气压介质阻挡放电的电离特性,产生高活性、高均匀性的低温等离子体,基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断;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;研究了螺纹电极、齿状电极、圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。结果表明,齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著,电子平均能量利用率低,电子激励温度弱于圆柱电极;圆柱电极放电强度较弱,但易形成大面积均匀性等离子体;大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给,而是取决于电极结构、气体组份、气体压强;增大外施电压仅能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。     

介质阻挡放电丝模式和均匀模式转化的特性

利用水电极介质阻挡放电装置，采用电学方法和发射光谱，研究了空气中介质阻挡放电从微放电丝模式向均匀放电模式转化的过程. 结果表明，大气压下增大外加电压或者电压一定减小气压，放电都能够从微放电丝模式过渡到均匀模式. 高气压下放电为流光击穿而低气压下为辉光放电. 利用放电发射光谱，研究了高能电子比例随实验参数的变化. 结果表明气压减小时高能电子比例增大，电压增加时高能电子减少. 利用壁电荷理论对以上实验结果进行了定性分析. 结果对介质阻挡均匀放电的深入研究具有重要价值.     

气体脉冲放电等离子体阻抗的参量研究

在纯净氦气条件下，对高频纵向脉冲放电的等离子体动态阻抗进行了实验研究.测量了放电等离子体阻抗随放电电压、频率以及气体压强之间的变化关系，表明等离子体阻抗随频率和电压的增加而下降，随气压的升高而增大.定性分析了这些宏观参量与等离子体阻抗变化之间的关系，拟合出等离子体阻抗随电压、频率、气压变化的经验公式，并对数值模拟与实验结果进行了比较研究. 关键词： 等离子体阻抗 气体脉冲放电     

Characteristics of parallel-plate and planar-surface dielectric barrier discharge at atmospheric pressure

Experiments are performed to investigate and compare the characteristics of stable parallel-plate and planar-surface dielectric barrier discharge in helium gas at atmospheric pressure. The evolution of applied electric field profile and the discharge initiation processes are found quite different for both electrode geometries. Further discharge voltage, discharge current, power densities etc. are compared. The differences of basic plasma properties are presented for both the electrode configurations.     

气压对微束射频容性放电模式调制的研究

微束射频容性放电在纳米晶体颗粒等离子体增强气相合成有着潜在的应用前景.本论文利用ICCD、单反相机、高压探头和电流探头等对微束射频容性放电特性进行了实验诊断研究.结果发现:在纯氩气微束射频放电中,随着气压的增加,放电从辉光放电模式向多通道丝状放电模式转换;在99%氩/1%氢混合气体微束射频放电中,丝状放电模式消失,而是从低气压全空间分布的辉光放电模式,到中等气压向轴心收缩的辉光放电模式,最后到高气压的“环状”辉光放电模式;而在纯氢气微束射频放电中,随着气压的增加,放电模式直接从全空间分布的辉光放电模式向“环状”辉光放电模式转换.最后通过射频电场中电子加热、趋肤效应和气体热传导的共同作用解释了产生不同放电模式的物理机制.     

大气压冷等离子体喷枪气体温度的比较研究

采用介质阻挡放电等离子体喷枪装置,在大气压下流动气体(氩气和痕量氮气)中产生了稳定的喷射等离子体.通过拍摄喷枪发光照片,研究了喷射等离子体长度随气体流量的变化关系.利用高分辨率光谱仪采集等离子体羽处的发射光谱,通过对发射光谱中N+2的第一负系(B 2Σ+u→X 2Σ+g,390～391.6 nm)谱线拟合得到了射流等离...     

负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.