大气压均匀介质阻挡放电以及多针电晕增强放电机理研究

【摘要】： 在大气压气体放电中产生的非平衡等离子体，具有较高的电子能量和较低的离子能量，并且包含大量的活性粒子，具有很高的化学活性，许多通常不能发生或者需要苛刻条件的化学反应在这种等离子体氛围下都可以发生，因此在工业生产上具有广泛的应用。在大气压条件下，通常用来产生非平衡等离子体的装置主要有电晕放电和介质阻挡放电装置。电晕放电属于局部放电，它的优点是放电稳定，易于维持，在直流电压下也可以稳定的存在。但是它的缺点也是显而易见的，放电区域小，电流弱，效率低；而介质阻挡放电具有放电区域大，电流强，效率高的优点，但是容易形成丝状放电，对所处理的材料表面有烧蚀作用，并且不均匀。因此，克服两种放电的缺点，在大气压条件下寻求大体积均匀稳定的放电装置具有重要的意义，也是当前国际上研究的一个热点问题。 本文以介质阻挡放电和多针电晕增强放电为基础，主要开展了以下的研究工作： 1．研究了氦气介质阻挡放电的模式转化规律，发现了在放电过程中随着电压的变化存在着明显的模式跳变现象，即从大体积均匀的辉光放电模式突然跳变到只有一根丝的丝状放电模式。在氦气介质阻挡放电过程中不同的放电模式能否出现，主要取决于种子电子密度和击穿电场。当种子电子密度足够高而击穿电场强度足够低时，更利于形成辉光放电，反之则利于形成丝状放电。我们利用N_2~+第一负带系(B~2∑→X~2∑)的(0，0)带，分别通过波尔兹曼图解法和光谱模拟法对转动温度进行了计算，结果显示转动温度随着外加电压和频率的增加而增加，变化范围在300K～550K之间。利用氮分子的第二正带系发射光谱的顺序带组，计算了振动温度，所得到的振动温度的变化范围在1600K～2200K之间。通过多谱线斜率法，计算了等离子体的激发温度，所得的温度范围在1200K～2500K之间。 2．利用自行设计的火花预电离辅助介质阻挡放电装置，在大气压空气中实现了均匀的类辉光放电。火花预电离装置和介质阻挡放电装置形成一个负反馈系统，由单一电源驱动。介质阻挡放电装置能够抑制火花放电电流的过度增长，避免形成电弧放电；而火花放电能够为介质阻挡放电提供具有陡峭上升沿的脉冲高压。装置的放电状态，与外加电压频率有着密切的关系。在本实验条件下，4.250kHz是一个临界频率。当装置运行在低于这个临界频率时，针针之间的放电为剧烈的火花放电，介质阻挡放电为均匀的类辉光放电；当高于这个临界频率时，针针之间的放电突变为柔和稳定的电晕增强放电，而介质阻挡放电为典型的丝状放电。介质阻挡放电之所以能够形成均匀的类辉光放电，可以归结为两个方面的原因：一方面火花放电产生的紫外光波长在214.41nm～257.57nm波段，能够通过光电效应增加种子电子密度；另一方面能够提供快速上升的脉冲高压，缩短了介质阻挡放电开启的时间，避免了种子电子的损失，能够保证在介质阻挡放电开启时有足够高的种子电子密度。 3．在介质阻挡大气压空气放电中得到了同心圆状斑图放电结构。从电流-电压波形图可以看到，随着放电丝密度的增加，丝与丝之间的时间和空间相互影响加强，最大电流脉冲幅度降低。气流对介质阻挡放电有着明显的影响，能够形成带状放电。但是随着放电丝密度的增加，气流的影响逐渐减弱。 4．利用多针电晕增强放电装置，在大气压空气中实现了大体积均匀的辉光放电，研究了影响放电稳定性的因素。通过实验发现从电晕放电到辉光放电存在着明显的中间过渡过程，表现为出现带有直流成分的Trichel脉冲。这一现象的出现与阳极辉区的出现有着密切的联系。高速气流能够带走阳极亮斑内部产生的大量热量，因此对阳极亮斑的发展有着很强的抑制作用，极大的提高了从辉光放电向火花放电转化的阈值电流。大极板间距更加有利于辉光放电的稳定。