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大气压沿面辉光放电的理论与实验研究

江中和  
【摘要】:本文较为详尽介绍了大气压下介质阻挡放电(DBD)实验与理论研究结果,同时 总结了介质阻挡放电的实验与理论研究方法。重点论述了沿面介质阻挡放电的电 场计算、数值模拟以及实验研究,旨在使得沿面介质阻挡放电产生的等离子体能 够满足电磁波与等离子体相互作用研究的需要。现有的理论结果表明一定等离子 体密度下等离子体的厚度决定了等离子体对电磁波的吸收效果,在适当的气体压 强下提高沿面放电的等离子体厚度是研究沿面介质阻挡放电的最终目标。 本文首先运用边界元方法计算静态电压下发生器的场强分布,根据计算的场 强对发生器进行优化设计,选择了最适合产生等离子体的发生器类型与结构参数, 而后再进行放电实验来验证。从实验结果来看,这一方法能够较好地解决等离子 体发生器研制问题,从而有希望能够产生与电磁波有明显作用效果的等离子体。 从计算得到电场分布图,我们对梳状电极沿面介质阻挡放电行为进行了分析 与推断,对于单面梳状电极的发生器,沿着介质板法向方向的位置上电场强度下 降很快,这也决定了放电产生的等离子体发光厚度有限。为此我们试图通过改变 电极结构而达到发生器在介质面垂直方向上的电场梯度变小。从改进型沿面放电 与电极共面型发生器的电场分布来看,这两种发生器沿介质板法向方向位置上的 电场梯度得到很大程度的改善。 本文应用辉光放电的捕获机制模型对梳状电极沿面放电发生器产生辉光放电 进行了数值模拟。从数值模拟的结果来看,在确定的发生器电极结构下,当电压 的峰-峰值电压为 9kV 时,发生沿面辉光的条件是电压频率至少为 9kHz,而当频率 为 1MHz 时,沿面放电将出现丝状放电的模式,因而这一模拟结果对沿面放电发生 器的研制有很重要的指导意义。根据数值模拟的结果,对沿面放电发生器进行了 放电实验。实验中电源输出的电压波形为交流正弦波,在峰-峰值电压为 9kV 时发 生沿面辉光放电的电压频率为 10kHz,同时等离子体发光厚度低于 1mm,上述实验 结果较好得验证了理论计算的结果。由于电源输出频率的限制,实验无法验证在 电压频率为 1MHz 时将出现丝状放电这一理论结果。 本文就改进型沿面放电与电极共面型沿面放电发生器进行了实验研究,从实 验结果来看,改进型沿面放电发生器在较低的气体压强下(3kPa)产生较厚的等 离子体发光层,而电极共面型沿面放电发生器在压强为 30 kPa 时产生了 8mm 的均 匀等离子体发光厚度,这一实验结果对应用沿面介质阻挡放电来进行电磁波与等 离子体相互作用的发生器研制具有重要的参考意义。


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