介質(zhì)阻擋放電

1、介質(zhì)阻擋放電第1頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日等離子體的分類2、按等離子體所處的狀態(tài)：（1）平衡等離子體：氣體壓力較高，電子溫度與氣體溫度大致相等的等離子體。如常壓下的電弧放電等離子體和高頻感應(yīng)等離子體。（2）非平衡等離子體：低氣壓下或常壓下，電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體溫度的等離子體。如低氣壓下 DC輝光放電和高頻感應(yīng)輝光放電，大氣壓下DBD介質(zhì)阻擋放電等產(chǎn)生的冷等離子體。2第2頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日低溫等離子體的發(fā)生技術(shù)直流輝光放電低頻放電等離子體高頻放電等離子體非平衡大氣壓等離子體放電介質(zhì)阻擋放電3第3頁，共37頁，2022年，5月20

2、日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電介質(zhì)阻擋放電是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電。介質(zhì)可以覆蓋在電極上或懸掛在放電空間。這樣當(dāng)在放電電極上施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體即使在很高的氣壓下，也會(huì)被擊穿而形成所謂的介質(zhì)阻擋放電。這種放電看似均勻穩(wěn)定，但實(shí)際上它有大量細(xì)致的快脈沖放電通道,通常放電空間的氣體壓強(qiáng)為104Pa- 105Pa或更高。4第4頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的電極結(jié)構(gòu)5第5頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日 在大氣壓下（105Pa），這種氣體放電呈現(xiàn)微通道的放電結(jié)構(gòu)，即通過放電間隙的電流由大量快脈沖電流細(xì)絲構(gòu)

3、成。電流細(xì)絲在放電空間和時(shí)間上都是無規(guī)則分布的。這種電流細(xì)絲也稱為微放電。每個(gè)微放電的時(shí)間過程都非常短促，壽命不到10ns，而電流密度卻很高。在介質(zhì)表面上微放電擴(kuò)散成表面放電，這些表面放電呈現(xiàn)明亮的斑點(diǎn)，大的可達(dá)幾個(gè)毫米。第6頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日7空氣中微放電在介質(zhì)表面斑點(diǎn)的照片第7頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的機(jī)制當(dāng)電極兩端加上交流電壓時(shí)，在半個(gè)周期內(nèi)，可以認(rèn)為是直流放電。在第一個(gè)電子雪崩通過放電間隙的過程中出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的空間電荷。他們聚集在雪崩頭部。8由于電子運(yùn)動(dòng)速度快，電子集中在雪崩的球狀頭部，正離子滯后于電子

4、而在雪崩的后部。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)自感電場疊加在外電場上，同時(shí)對(duì)電子產(chǎn)生影響。第8頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的機(jī)制9這個(gè)電場將會(huì)向陰極傳播。在傳播過程中原子和分子得到進(jìn)一步的電離，并激勵(lì)起向陰極傳播的電子反向波。這樣一個(gè)導(dǎo)電通道能非常快的通過放電間隙而造成氣體的擊穿。當(dāng)氣體被擊穿，導(dǎo)電通道建立后，空間電荷在放電間隙間輸送，并積累在介質(zhì)上。這時(shí)介質(zhì)表面電荷將建立起電場，直到將原來的外加電場削弱為零，以至于中斷了放電電流。第9頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日 介質(zhì)阻擋放電的宏觀特點(diǎn)：放電是交流放電，沒有直流導(dǎo)電通道放電形態(tài)是分布于放電

5、空間內(nèi)，不會(huì)局域于某個(gè)放電通道上，形成類似于輝光的狀態(tài)。彌漫、穩(wěn)定、無聲。早期稱為無聲放電放電分布于介質(zhì)外圍的放電空間內(nèi)。很大的氣壓范圍內(nèi)都可以發(fā)生。輝光放電只是在低氣壓下發(fā)生，高氣壓下是火花、電暈或電弧狀態(tài)介質(zhì)的存在阻斷了擊穿通道（流光擊穿通道）的形成，不能形成火花或者電弧。第10頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的應(yīng)用11 介質(zhì)阻擋放電（DBD）能夠在大氣壓下產(chǎn)生大體積、高能量密度的低溫等離子體，不需要真空設(shè)備就能在室溫或接近室溫條件下獲得化學(xué)反應(yīng)所需的活性粒子。廣泛應(yīng)用于臭氧發(fā)生和DBD等離子體材料表面改性等方面。第11頁，共37頁，2022年，5月20

6、日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的條件：(1) 交流電壓產(chǎn)生交流電場，50Hz1MHz 氣壓范圍寬闊0.1atm-10atm. 放電間隙通常不大，看似仍然服從帕邢定律介質(zhì)阻擋放電的形態(tài)：(1) 雖然宏觀看似均勻，實(shí)際上是大量微小的流光放電狀態(tài)。 微小放電是脈沖的，持續(xù)時(shí)間為10ns一下。認(rèn)定為流光. 微放電脈沖在空間是均勻分布的，有時(shí)出現(xiàn)規(guī)則分布，斑圖現(xiàn)象 微放電的尺寸為0.1mm以下，電流密度很大100-1000A/cm2, 這也是判定為流光放電的依據(jù)之一。 微放電在電極表面擴(kuò)展為幾個(gè)mm的表面放電。第12頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日微放電的伏安特性（1）微放電

7、電流表現(xiàn)為大量電流脈沖（2）正負(fù)放電半周內(nèi)均出現(xiàn)放電。（3）存在擊穿閾值（4）通常情況下，電流脈沖的出現(xiàn)不是均勻的，電流大小也是隨機(jī)的（5）正負(fù)半周的微放電不是對(duì)稱的。第13頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日微放電的時(shí)間特性;持續(xù)時(shí)間很短，ns級(jí)。與氣體種類有關(guān)電流脈沖的幅度也是不同的。脈沖的上升和下降行為不同。也與氣體種類有關(guān)第14頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日 為什么出現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電形式？（1）高氣壓下，擊穿通道很集中，局部密度很高，產(chǎn)生不穩(wěn)定（重復(fù)性不高，發(fā)生位置不穩(wěn)定）和空間不均勻。（2）抑制流光放電的途徑：截?cái)嗔鞴馔ǖ溃?）電極因素很重

8、要，電極發(fā)熱消耗功率很大。（4）高頻條件下，擊穿條件溫和。（5）介質(zhì)層的分割，可以實(shí)現(xiàn)不同氣體的同時(shí)放電。（6）極端不平衡放電：脈沖放電特性所決定。第15頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電空間的電場分布如圖所示的放電位型，兩層介質(zhì)和一層氣體間隙，介質(zhì)層厚度為ld, 氣體間隙為lg采用平行板電場近似，介質(zhì)內(nèi)和氣體隙內(nèi)的電感應(yīng)強(qiáng)度是連續(xù)的第16頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日如果施加的電壓為V例子：空氣中，ld=0.3cm, lg=0.4cm, 施加的電壓為25kV, 介電系數(shù)分別為1和4空氣間隙會(huì)發(fā)生擊穿第17頁，共37頁，2022年，5

9、月20日，13點(diǎn)2分，星期日擊穿之后，介質(zhì)層表面充電，氣體隙的電場迅速減弱。如果空氣隙電場將為零，那么介質(zhì)層內(nèi)的電場強(qiáng)度為可見介質(zhì)阻擋放電的電流是靠介質(zhì)層上的位移電流維持的。介質(zhì)阻擋放電的等效電路第18頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的放電電壓放電電壓就是放電擊穿過程中，氣體間隙上的電壓。未擊穿時(shí)，氣體間隙上的電壓正比于外加電壓而變化。擊穿之后，由于介質(zhì)表面的充電效應(yīng)，使得氣體間隙的電壓變化減小。當(dāng)放電間隙上的電壓V gVb,不發(fā)生放電現(xiàn)象。當(dāng)放電間隙上的電壓V g=Vb, 發(fā)生放電現(xiàn)象，有微放電電流。如果放電電流夠大，放電一直持續(xù)到達(dá)到外加電壓峰值，在整個(gè)

10、放電過程中，Vg基本保持不變。第19頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日這便是放電過程中氣體間隙上的電壓變化第20頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日如果那么放電電流幾乎等于介質(zhì)層的充電電流第21頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日t=t0時(shí)，Vg=Vb第22頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日功率消耗發(fā)生在發(fā)電發(fā)生的過程中，即氣體間隙中。方便起見，設(shè)外電壓是正選變化的交流電，放電過程中氣體上電壓不變。根據(jù)伏安曲線可以計(jì)算平均功率。如圖所示：放電發(fā)生在陰影所示的時(shí)間段內(nèi)。氣體間隙電壓在放電擊穿后維持不變，而且放電電

11、流也遠(yuǎn)大于位移電流。第23頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日放電持續(xù)時(shí)間內(nèi)，由于擊穿導(dǎo)電，有電荷輸過放電間隙。電場對(duì)這些電荷所做的功就是放電消耗的有功功率。 是放電階段介質(zhì)部分的電容的充電量t0是上周期放電結(jié)束之時(shí)t1是本周期放電開始處t2是本周期放電結(jié)束時(shí)t1-t2是放電持續(xù)時(shí)間t0-t1是電容充電時(shí)間第24頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日半個(gè)周期內(nèi)，介質(zhì)部分的總充電量為半個(gè)周期內(nèi)的總充電量一部分是在介質(zhì)表面分布的，一部分是用于改變氣體間隙內(nèi)的電場。在未放電階段，介質(zhì)部分也在充電，此時(shí)氣體間隙部分同樣也在充電，而且充電量相同，因?yàn)槭请娙荽?lián)。放電

12、擊穿階段內(nèi)，氣體間隙內(nèi)電場不變，介質(zhì)部分的充電有放電輸運(yùn)的電荷實(shí)現(xiàn)。半個(gè)周期內(nèi)，放電擊穿傳導(dǎo)的電量為第25頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日半個(gè)周期內(nèi)，放電電場所做的功為一個(gè)周期內(nèi)，放電電場所做的功為半周期的兩倍，因?yàn)檎?fù)半周期的放電是相似的，只是電場變向第26頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日考慮到串聯(lián)電容電路的特點(diǎn)V*是放電開始時(shí)刻的外加電壓值，a是電容比放電功率的分析：1，放電位型確定，功率與頻率乘正比，與放電面積成正比2，擊穿電壓和峰值電壓是決定放電功率的主要因素第27頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日引入放電間隙內(nèi)的平

13、均電流強(qiáng)度放電間隙內(nèi)的平均位移電流強(qiáng)度第28頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日上述分析是在比較簡單情況下進(jìn)行的，如果放電擊穿階段，氣體間隙電壓也是變化的，那么怎么處理呢？一個(gè)周期內(nèi)的放電做功如下：如果能夠得到放電氣體間隙上的電壓與放電量的關(guān)系曲線，那么一個(gè)周期內(nèi)的放電做功就是這條曲線圍成的面積。這條曲線就是介質(zhì)阻擋放電的李撒如圖形其實(shí)測量放電間隙電壓和放電電量，是不容易的?？梢詼y量放電外加電壓與回路電荷量的關(guān)系，即總放電李撒如圖形。這個(gè)李撒如圖形的面積與前述李撒如圖形的面積應(yīng)該是相同的第29頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日放電電路的伏安曲線形成的李

14、撒如圖形包圍的面積等于氣體間隙的伏安曲線形成的李撒如圖形包圍的面積。測量放電電路的李撒如圖形就可以計(jì)算放電的有功功率第30頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日介質(zhì)阻擋放電的李撒如圖形對(duì)于低頻介質(zhì)阻擋放電，利用簡化的放電伏安特性曲線，得到了計(jì)算放電有功功率的方法。其實(shí)在一般情況下，伏安特性曲線是復(fù)雜的，必須針對(duì)伏安特性進(jìn)行積分才能計(jì)算有功功率，這樣必須首先實(shí)驗(yàn)測定伏安曲線。因?yàn)闊o法直接依據(jù)理論分析得到可靠的伏安特性。利用放電回路的李撒如圖形也是計(jì)算有功功率的有效方法。但前提也是必須首先實(shí)驗(yàn)得到李撒如圖形。所謂李撒如圖形，就是兩個(gè)周期性的物理量的時(shí)間變化之間的相關(guān)性圖介質(zhì)阻擋放

15、電的李撒如圖形是放電電壓與電路流過的電荷量之間的相關(guān)性。電壓變化和電荷量變化是同頻率的，因此李撒如圖形是單區(qū)域的。第31頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日測量李撒如圖形的方法加入了一個(gè)測量電容Cm，測量回路流過的電荷在電容上積累第32頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日放電功率為把回路中得到的V和Vm在示波器器上顯示出來，就得到了放電的電壓-電荷李撒如圖形如果放電是低頻的， 那么氣體間隙上的電壓在擊穿階段是不變的，那么李撒如圖形是平行四邊形第33頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日兩個(gè)斜度大的邊對(duì)應(yīng)的是未放電階段，而其他兩邊是放電階段未放電階段的外電路電壓變化為2V*, 這是因?yàn)椋哼@個(gè)階段里，氣體間隙電壓從Vb-Vb，變化了2Vb第34頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日計(jì)算這個(gè)平行四邊形的面積與之前分析得到的結(jié)果相同第35頁，共37頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)2分，星期日高頻介質(zhì)阻擋放電情況下，擊穿不熄滅，一直發(fā)生，此時(shí)的氣體隙相當(dāng)于一個(gè)電阻。那么放電回路相當(dāng)于一個(gè)電