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改善常压空气等离子体均匀性和稳定性的研究

张禹涛  
【摘要】: 非平衡等离子体中含有大量电子、亚稳态离子、自由基等活性粒子,具有极强的反应活性,电子能量很高,可达10 eV以上,但是气体温度低,一般约为几千K甚至接近室温,因此可以降低反应的门槛,在低温下引发很多化学反应。非平衡等离子体含有大量带电粒子,电子和离子质量差异很大,具有各向异性的能量分布,因此可以很灵活地通过外加电磁场控制其能流方向。由于具有上述特点,非平衡等离子体己经获得了广泛的应用。常压空气放电非平衡等离子体,例如电晕放电、介质阻挡放电和辉光放电等离子体不需要真空系统,不需要惰性气体,大大降低了运行费用,呈现出良好的发展势头。由于等离子体放电发展过程的正反馈特性,常压空气粒子密度高,放电容易过渡到火花甚至弧光状态,因此等离子体的均匀性和稳定性对其应用具有重要意义,这一课题始终是非平衡等离子体研究领域的热点之一。 为改善常压空气非平衡放电等离子体的均匀性和稳定性,本文以电容耦合放电和介质阻挡放电为基础,开展了以下工作: 1.提出阻容耦合空气中大气压辉光放电产生方法,利用阻容耦合负反馈原理,通过耦合电容建立反向电场,逐渐熄灭放电;引入耦合电阻增加放电回路的时间常数,和阻尼放电引起的高频振荡,成功抑制了等离子体放电发展正反馈机制引起的辉光放电向火花放电的过渡,分别在针-针、针-板和针-水电极发生器中产生了稳定的静态空气中大气压辉光放电。耦合电容变大会降低维持辉光放电的最高电压。耦合电阻对放电稳定性的影响存在一个最佳范围。二者对放电的影响是由放电回路时间常数决定的。适于产生辉光放电的范围由大到小依次是:针-针、针-水和针-板电极,即针-针电极稳定性最好,针-板电极最差。实验中发现采用电容耦合针-水电极,一定条件下会发生从火花放电向扩散电晕放电的过渡。考察了电极间距、电源频率和耦合电容等实验条件对过渡现象的影响,探讨了这种过渡发生的原因。 2.研究了通过磁压缩线圈提供的动态阻抗提高介质阻挡放电电流脉冲的均匀性,当电压较低时动态阻抗可以有效降低电流脉冲幅值,并伴随着光辐射强度的降低和气体振动温度的升高。在此基础上引入阻尼电阻,产生了无丝介质阻挡放电,电流波形是光滑连续的正弦波。本质上它仍然是丝状流光放电,但是强度很弱。引入动态阻抗和耦合电阻的方法并不仅是改变了电流波形,而且是对等离子体的性质产生了深刻的影响。可以通过该方法调节DBD放电强度,从而拓宽了介质阻挡放电的应用范围。 3.考察了纵向介质对常压下纳秒脉冲气体放电的影响。引入适当的纵向介质管明显增强了放电均匀性,增加了等离子体的空间范围,最大时可以增加到原体积的2倍,同时光向发展,同时介质表面的反向电场对放电起到负反馈作用,增强其均匀性。引入耦合电容有利于增强放电的均匀性和稳定性,但是对等离子体的规模没有影响。采用交流电源供电,对放电体积没有明显影响。产生差异的原因应该是两种供电方式产生的等离子体温度的不同,交流电源供电时因为气体温度高导致通道收缩。


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