流气条件下表面放电光泵浦源重复频率运行的稳定性

以高纯度Al2O3陶瓷作为放电基底,研制了重复频率表面放电光泵浦源模块,详细地讨论了流气条件下泵浦源的放电抖动和辐射强度波动,并采用高速相机拍摄了泵浦源的放电等离子体图像,研究了等离子体的空间稳定性。研究发现:在流气状态下,泵浦源的重复频率为1～5 Hz时,泵浦源的放电抖动与放电等离子体的空间稳定性受充电电压和气体流量的影响较大,随运行频率的变化较小;辐射强度波动主要与充电电压相关,基本不受气体流量和重复频率变化的影响;在大流量条件下,提高充电电压,可以有效降低混合气体流动对泵浦源放电抖动的影响,减小辐射强度波动,改善放电等离子体的空间重复性;当充电电压达到26.8 kV时,气流量在60～300 L/min范围内,泵浦源的放电抖动可以小于45 ns,辐射强度波动小于2%,放电等离子体有很好空间稳定性。研究结果表明该表面放电光泵浦源模块在流气条件下具有良好的重复频率运行稳定性。     

微秒脉冲激励的大气压氦等离子体射流放电特性北大核心CSCD

研究了不同电极结构以及放电参数对微秒脉冲激励的氦等离子体射流放电特性的影响。实验中采用不同管内径、不同电极形状、不同重复频率等参数,通过采集放电阶段的电流电压图、发光图像以及发射光谱等,对等离子体射流的电学特性和光学特性进行诊断。实验结果表明,随着管内直径的增大,氦等离子体射流的长度减小;管内径为8mm时,等离子体射流的击穿电压与放电电流最小,同时,其发射光谱中第二正带系N2,N+2和O等高能活性粒子的强度最高;管内径为5mm的等离子体射流的放电电流、功率及消耗的能量最大;在相同实验条件下,针尖电极结构中的放电电流、消耗的功率还有发射光谱强度都较大;随着重复频率的增加,氦等离子体射流的长度会增加,但击穿电压减小。     

微秒脉冲大气压氦气等离子体射流阵列特性

为了深入研究等离子射流阵列的放电特性,利用上升沿1μs、脉宽2μs的微秒脉冲电源产生等离子体射流,通过电压电流波形的测量和发光图像的拍摄,研究了在针-环双电极结构下,不同电极位置以及不同重复脉冲频率下氦气等离子体射流阵列的放电特性。实验结果表明放电最初产生在阵列的两端,随着外加电压幅值的增加,中心管也会有射流产生,最终形成射流阵列。随地电极距管口距离的变远,放电电流和中心管的射流长度均呈现出先增大后减小的变化趋势(20mm处取得最大值),随着重复脉冲频率的增大,放电由不均匀的丝状放电向均匀放电转变,放电电流先减小而后保持不变。     

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。     

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。     

Time-resolved processes in a pulsed electrical discharge in argon bubbles in water

A phenomenological picture of a pulsed electrical discharge in gas bubbles in water is produced by combining electrical, spectroscopic, and imaging characterization methods. The discharge is generated by applying 1 m\mu s pulses of 5 to 20 kV between a needle and a disk electrode submerged in water. An Ar gas bubble surrounds the tip of the needle electrode. Imaging, electrical characteristics, and time-resolved optical emission spectroscopic data suggest a fast streamer propagation mechanism and the formation of a plasma channel in the bubble. Comparing the electrical and imaging data for consecutive pulses applied to the bubble at a frequency of 1 Hz indicates that each discharge proceeds as an entirely new process with no memory of the previous discharge aside from the presence of long-lived chemical species, such as ozone and oxygen. Imaging and electrical data show the presence of two discharge events during each applied voltage pulse, a forward discharge near the beginning of the applied pulse depositing charge on the surface of the bubble and a reverse discharge removing the accumulated charge from the water/gas interface when the applied voltage is turned off. The pd value of ~ 300–500 torr cm, the 1 μs long pulse duration, low repetition rate, and unidirectional character of the applied voltage pulses make the discharge process here unique compared to the traditional corona or dielectric barrier discharges.     

强流碳纳米管阴极快脉冲重频发射特性

在Cu基底上, 采用催化热解生长法制备了石墨化程度较高的碳纳米管阴极. 当电子束能量达到1 MeV、梯度约为60 kV/ns时, 发射束流强度达到15 kA, 相应密度约为1 kA/cm², 束压、束流响应快, 波形间几无延时. 以50 Hz重复频率、约15 GW束功率强流发射时, 波形稳定, 随着频率增高, 稳定性降低. 发射炮次达1000后, 表面形貌保持完整、界面无脱附; 束压与束流基本满足空间电荷限制定律, 发射机理属闪络型等离子体发射, 等离子体速度约为3.9 cm/μs.     

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。     

Optical characteristics and parameters of a gas discharge plasma based on a mixture of mercury dibromide vapor and helium

We present the results of studies of the optical characteristics and parameters of a gas discharge plasma produced by a barrier discharge at atmospheric pressure, based on a mixture of mercury dibromide vapor and helium (the working medium of a small (emitting area 8 cm²) exciplex gas discharge emitter). An average emission power of 70 mW (λ_max = 502 nm) was achieved for pump pulse repetition frequency 6 kHz, voltage pulse amplitude 2.3 kV, and current pulse amplitude 8 A of duration ~100 nsec. We established the plasma parameters: the electron energy distribution functions, the transport characteristics, the discharge power losses per unit pressure going toward electron processes, the electron concentration and temperature, and also the rate constants for processes of elastic and inelastic scattering of electrons by the components of the working mixture as a function of the parameter E/N, where E is the electric field strength and N is the total concentration of mercury dibromide molecules and helium atoms.     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

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。     

重复频率脉冲电容器寿命测试平台

通过建立脉冲重复频率寿命测试平台研究ms级脉冲放电领域的脉冲电容器的寿命特性。平台采用的输出功率为30kW重复频率充电机,其输出电压0~12kV;脉冲放电回路采用晶闸管作为开关,最高重复频率为100Hz;负载采用电阻和电感调节回路波形。通过该测试平台可以研究各个阶段的经历时间和重复频率对电容器寿命特性的影响以及重复频率工况下脉冲电容器的失效机制。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。     

One- and two-barrier excilamps on xenon dimers operating in the VUV range

Spontaneous emission sources in the VUV range based on one- and two-barrier pulsed-periodic gas (Xe) discharges are experimentally investigated. Volt-coulomb figures, as well as typical waveforms of current pulses and discharge voltage are presented. The time dependences of the voltage drop across the gas-discharge plasma, excitation power, and excitation energy are calculated. The radiation power versus xenon pressure, exciting pulse repetition rate, and average excitation power is determined. The radiation power average densities for one- and two-barrier excilamps are found to be 20–30 and ～40 mW/cm², respectively.     

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。     

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10 kV,重复频率为100 Hz,可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。     

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。     

Emission from a sulfur-hexafluoride volume discharge induced by attachment instability

Characteristics of a low-pressure volume discharge in SF₆ are investigated. The discharge with a spherical anode-plane cathode electrode system was induced by attachment instability. It is found that applying a dc voltage (U _ch≤1.3 kV) to the anode in the absence of a confining dielectric wall results in the ignition of a repetitive discharge (f=0.1–120 kHz). The spatial, frequency, and current-voltage characteristics of the volume discharge; plasma emission in the spectral range 200–700 nm; and the waveforms of the discharge voltage, current, and plasma emission are investigated. It is shown that the plasma under study exists in the form of a domain (autosoliton) and that the volume discharge is self-induced because, during attachment instability, the plasma itself acts as a switch enabling repetitive pulsed operation. The results obtained can be applied to studying the physics and technology of electric-discharge chemical HF (DF) lasers based on nonchain reactions and to developing high-aperture low-pressure repetitive Ar-, Kr-, and Xe-fluoride lamps with low-corrosive working media (low-pressure mixtures of Ar, Kr, and Xe with SF₆).     

大气压放电等离子体柱的光谱研究

大气压放电等离子体柱在飞行器隐身技术方面具有非常重要的应用。利用同轴介质阻挡放电水电极装置,大气压下在氩气中放电产生了长达65 cm的均匀等离子体柱。利用光学方法研究了等离子体柱的放电机理为发光子弹传播。通过测量发现该子弹的传播速度约为0.6×105 m·s-1。采用发射光谱法测量了等离子体柱的发射光谱中谱线强度比随外加电压和驱动频率的变化关系,其相对强度之比表征了电子平均能量。结果表明电子平均能量随外加电压和驱动频率的增加而增加。本工作对大气压下气体放电的工业应用具有一定的意义,在军事飞行器隐身方面具有广阔的应用前景。     

关于半导体光激射器工作电流范围的分析

本文直接利用阈值电流随温度变化的实验关系,通过解热传导方程,得到了连续及脉冲工作状态下起始工作电流、最大工作电流及临界阈值电流的定量结果,供研制参考。其中全面地考虑了结内及体内发热的贡献,后者可用一归一化等效体内发热电阻r来表征。连续工作状态的分析表明,体内发热的影响不可忽略。对脉冲工作状态的分析,分别考虑了脉冲宽度和重复频率的影响。指出:在兼顾功率和重复频率的情况下,脉冲工作比以取0.03左右为宜。当实际应用中对重复频率要求不高时,为了提高功率,取重复周期比二极管热弛豫时间约大3倍比较合适。如果要求重复频率很高,则器件性能主要由脉冲工作比决定。文中利用所得结果结合实例进行了讨论,并讨论了脉冲工作情况由于结温变化所导致的发射频谱展宽效应。