大氣壓均勻介質(zhì)阻擋放電以及多針電暈增強(qiáng)放電機(jī)理研究.pdf

1、在大氣壓氣體放電中產(chǎn)生的非平衡等離子體，具有較高的電子能量和較低的離子能量，并且包含大量的活性粒子，具有很高的化學(xué)活性，許多通常不能發(fā)生或者需要苛刻條件的化學(xué)反應(yīng)在這種等離子體氛圍下都可以發(fā)生，因此在工業(yè)生產(chǎn)上具有廣泛的應(yīng)用。在大氣壓條件下，通常用來產(chǎn)生非平衡等離子體的裝置主要有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電裝置。電暈放電屬于局部放電，它的優(yōu)點(diǎn)是放電穩(wěn)定，易于維持，在直流電壓下也可以穩(wěn)定的存在。但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，放電區(qū)域小，電流弱，效

2、率低；而介質(zhì)阻擋放電具有放電區(qū)域大，電流強(qiáng)，效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是容易形成絲狀放電，對(duì)所處理的材料表面有燒蝕作用，并且不均勻。因此，克服兩種放電的缺點(diǎn)，在大氣壓條件下尋求大體積均勻穩(wěn)定的放電裝置具有重要的意義，也是當(dāng)前國際上研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。 本文以介質(zhì)阻擋放電和多針電暈增強(qiáng)放電為基礎(chǔ)，主要開展了以下的研究工作： 1．研究了氦氣介質(zhì)阻擋放電的模式轉(zhuǎn)化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了在放電過程中隨著電壓的變化存在著明顯的模式跳變現(xiàn)象，即從大體積

3、均勻的輝光放電模式突然跳變到只有一根絲的絲狀放電模式。在氦氣介質(zhì)阻擋放電過程中不同的放電模式能否出現(xiàn)，主要取決于種子電子密度和擊穿電場。當(dāng)種子電子密度足夠高而擊穿電場強(qiáng)度足夠低時(shí)，更利于形成輝光放電，反之則利于形成絲狀放電。我們利用N<'+><,2>第一負(fù)帶系(B<'2>∑→X<'2>∑)的(0，0) 帶，分別通過波爾茲曼圖解法和光譜模擬法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)動(dòng)溫度隨著外加電壓和頻率的增加而增加，變化范圍在300K～550K

4、之間。利用氮分子的第二正帶系發(fā)射光譜的順序帶組，計(jì)算了振動(dòng)溫度，所得到的振動(dòng)溫度的變化范圍在1600K～2200K 之間。通過多譜線斜率法，計(jì)算了等離子體的激發(fā)溫度，所得的溫度范圍在1200K～2500K之間。 2．利用自行設(shè)計(jì)的火花預(yù)電離輔助介質(zhì)阻擋放電裝置，在大氣壓空氣中實(shí)現(xiàn)了均勻的類輝光放電?；鸹A(yù)電離裝置和介質(zhì)阻擋放電裝置形成一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，由單一電源驅(qū)動(dòng)。介質(zhì)阻擋放電裝置能夠抑制火花放電電流的過度增長，避免形成電弧放電

5、；而火花放電能夠?yàn)榻橘|(zhì)阻擋放電提供具有陡峭上升沿的脈沖高壓。裝置的放電狀態(tài)，與外加電壓頻率有著密切的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)條件下，4.250kHz是一個(gè)臨界頻率。當(dāng)裝置運(yùn)行在低于這個(gè)臨界頻率時(shí)，針針之間的放電為劇烈的火花放電，介質(zhì)阻擋放電為均勻的類輝光放電；當(dāng)高于這個(gè)臨界頻率時(shí)，針針之間的放電突變?yōu)槿岷头€(wěn)定的電暈增強(qiáng)放電，而介質(zhì)阻擋放電為典型的絲狀放電。介質(zhì)阻擋放電之所以能夠形成均勻的類輝光放電，可以歸結(jié)為兩個(gè)方面的原因：一方面火花放電產(chǎn)生的紫

6、外光波長在 214.41nm～257.57nm波段，能夠通過光電效應(yīng)增加種子電子密度；另一方面能夠提供快速上升的脈沖高壓，縮短了介質(zhì)阻擋放電開啟的時(shí)間，避免了種子電子的損失，能夠保證在介質(zhì)阻擋放電開啟時(shí)有足夠高的種子電子密度。 3．在介質(zhì)阻擋大氣壓空氣放電中得到了同心圓狀斑圖放電結(jié)構(gòu)。從電流-電壓波形圖可以看到，隨著放電絲密度的增加，絲與絲之間的時(shí)間和空間相互影響加強(qiáng)，最大電流脈沖幅度降低。氣流對(duì)介質(zhì)阻擋放電有著明顯的影響，能夠

7、形成帶狀放電。但是隨著放電絲密度的增加，氣流的影響逐漸減弱。 4．利用多針電暈增強(qiáng)放電裝置，在大氣壓空氣中實(shí)現(xiàn)了大體積均勻的輝光放電，研究了影響放電穩(wěn)定性的因素。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從電暈放電到輝光放電存在著明顯的中間過渡過程，表現(xiàn)為出現(xiàn)帶有直流成分的Trichel脈沖。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與陽極輝區(qū)的出現(xiàn)有著密切的聯(lián)系。高速氣流能夠帶走陽極亮斑內(nèi)部產(chǎn)生的大量熱量，因此對(duì)陽極亮斑的發(fā)展有著很強(qiáng)的抑制作用，極大的提高了從輝光放電向火花放電轉(zhuǎn)化的