介質阻擋放電

介質阻擋放電第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月等離子體的分類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，電子溫度遠遠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輝光放電，大氣壓下DBD介質阻擋放電等產生的冷等離子體。2第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月低溫等離子體的發(fā)生技術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阻擋放電3第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電介質阻擋放電是有絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電。介質可以覆蓋在電極上或懸掛在放電空間。這樣當在放電電極上施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體即使在很高的氣壓下，也會被擊穿而形成所謂的介質阻擋放電。這種放電看似均勻穩(wěn)定，但實際上它有大量細致的快脈沖放電通道,通常放電空間的氣體壓強為104Pa-

105Pa或更高。4第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的電極結構5第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

在大氣壓下（105Pa），這種氣體放電呈現微通道的放電結構，即通過放電間隙的電流由大量快脈沖電流細絲構成。電流細絲在放電空間和時間上都是無規(guī)則分布的。這種電流細絲也稱為微放電。每個微放電的時間過程都非常短促，壽命不到10ns，而電流密度卻很高。在介質表面上微放電擴散成表面放電，這些表面放電呈現明亮的斑點，大的可達幾個毫米。第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

7空氣中微放電在介質表面斑點的照片第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的機制當電極兩端加上交流電壓時，在半個周期內，可以認為是直流放電。在第一個電子雪崩通過放電間隙的過程中出現了相當數量的空間電荷。他們聚集在雪崩頭部。8由于電子運動速度快，電子集中在雪崩的球狀頭部，正離子滯后于電子而在雪崩的后部。這樣就產生了一個自感電場疊加在外電場上，同時對電子產生影響。第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的機制9這個電場將會向陰極傳播。在傳播過程中原子和分子得到進一步的電離，并激勵起向陰極傳播的電子反向波。這樣一個導電通道能非常快的通過放電間隙而造成氣體的擊穿。當氣體被擊穿，導電通道建立后，空間電荷在放電間隙間輸送，并積累在介質上。這時介質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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的宏觀特點：放電是交流放電，沒有直流導電通道放電形態(tài)是分布于放電空間內，不會局域于某個放電通道上，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外圍的放電空間內。很大的氣壓范圍內都可以發(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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的應用11介質阻擋放電（DBD）能夠在大氣壓下產生大體積、高能量密度的低溫等離子體，不需要真空設備就能在室溫或接近室溫條件下獲得化學反應所需的活性粒子。廣泛應用于臭氧發(fā)生和DBD等離子體材料表面改性等方面。第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的條件：(1)交流電壓產生交流電場，50Hz—1MHz

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阻擋放電的形態(tài)：(1)雖然宏觀看似均勻，實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)時間為10ns一下。認定為流光.

微放電脈沖在空間是均勻分布的，有時出現規(guī)則分布，斑圖現象微放電的尺寸為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之一。微放電在電極表面擴展為幾個mm的表面放電。第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月微放電的伏安特性（1）微放電電流表現為大量電流脈沖（2）正負放電半周內均出現放電。（3）存在擊穿閾值（4）通常情況下，電流脈沖的出現不是均勻的，電流大小也是隨機的（5）正負半周的微放電不是對稱的。第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月微放電的時間特性;持續(xù)時間很短，ns級。與氣體種類有關電流脈沖的幅度也是不同的。脈沖的上升和下降行為不同。也與氣體種類有關第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

為什么出現介質阻擋放電形式？（1）高氣壓下，擊穿通道很集中，局部密度很高，產生不穩(wěn)定（重復性不高，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：截斷流光通道（3）電極因素很重要，電極發(fā)熱消耗功率很大。（4）高頻條件下，擊穿條件溫和。（5）介質層的分割，可以實現不同氣體的同時放電。（6）極端不平衡放電：脈沖放電特性所決定。第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電空間的電場分布如圖所示的放電位型，兩層介質和一層氣體間隙，介質層厚度為ld,氣體間隙為lg采用平行板電場近似，介質內和氣體隙內的電感應強度是連續(xù)的第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月如果施加的電壓為V例子：空氣中，ld=0.3cm,lg=0.4cm,施加的電壓為25kV,介電系數分別為1和4空氣間隙會發(fā)生擊穿第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月擊穿之后，介質層表面充電，氣體隙的電場迅速減弱。如果空氣隙電場將為零，那么介質層內的電場強度為可見介質阻擋放電的電流是靠介質層上的位移電流維持的。介質阻擋放電的等效電路第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質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，氣體間隙上的電壓正比于外加電壓而變化。擊穿之后，由于介質表面的充電效應，使得氣體間隙的電壓變化減小。當放電間隙上的電壓Vg<Vb,不發(fā)生放電現象。當放電間隙上的電壓Vg=Vb,發(fā)生放電現象，有微放電電流。如果放電電流夠大，放電一直持續(xù)到達到外加電壓峰值，在整個放電過程中，Vg基本保持不變。第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月這便是放電過程中氣體間隙上的電壓變化第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月如果那么放電電流幾乎等于介質層的充電電流第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月t=t0時，Vg=Vb第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月功率消耗發(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。根據伏安曲線可以計算平均功率。如圖所示：放電發(fā)生在陰影所示的時間段內。氣體間隙電壓在放電擊穿后維持不變，而且放電電流也遠大于位移電流。第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月放電持續(xù)時間內，由于擊穿導電，有電荷輸過放電間隙。電場對這些電荷所做的功就是放電消耗的有功功率。是放電階段介質部分的電容的充電量t0是上周期放電結束之時t1是本周期放電開始處t2是本周期放電結束時t1-t2是放電持續(xù)時間t0-t1是電容充電時間第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月半個周期內，介質部分的總充電量為半個周期內的總充電量一部分是在介質表面分布的，一部分是用于改變氣體間隙內的電場。在未放電階段，介質部分也在充電，此時氣體間隙部分同樣也在充電，而且充電量相同，因為是電容串聯。放電擊穿階段內，氣體間隙內電場不變，介質部分的充電有放電輸運的電荷實現。半個周期內，放電擊穿傳導的電量為第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月半個周期內，放電電場所做的功為一個周期內，放電電場所做的功為半周期的兩倍，因為正負半周期的放電是相似的，只是電場變向第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮到串聯電容電路的特點V*是放電開始時刻的外加電壓值，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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月引入放電間隙內的平均電流強度放電間隙內的平均位移電流強度第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月上述分析是在比較簡單情況下進行的，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？一個周期內的放電做功如下：如果能夠得到放電氣體間隙上的電壓與放電量的關系曲線，那么一個周期內的放電做功就是這條曲線圍成的面積。這條曲線就是介質阻擋放電的李撒如圖形其實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系，即總放電李撒如圖形。這個李撒如圖形的面積與前述李撒如圖形的面積應該是相同的第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月放電電路的伏安曲線形成的李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算放電的有功功率第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月介質阻擋放電的李撒如圖形對于低頻介質阻擋放電，利用簡化的放電伏安特性曲線，得到了計算放電有功功率的方法。其實在一般情況下，伏安特性曲線是復雜的，必須針對伏安特性進行積分才能計算有功功率，這樣必須首先實驗測定伏安曲線。因為無法直接依據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算有功功率的有效方法。但前提也是必須首先實驗得到李撒如圖形。所謂李撒如圖形，就是兩個周期性的物理量的時間變化之間的相關性圖介質阻擋放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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月測量李撒如圖形的方法加入了一個測量電容Cm，測量回路流過的電荷在電容上積累第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個斜度大的邊對應的是未放電階段，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*,這是因為：這個階段里，氣體間隙電壓從Vb-Vb，變化了2Vb第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月計算這個平行四邊形的面積與之前分析得到的結果相同第35頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻介質阻擋放電情況下，擊穿不熄滅，一直發(fā)生，此時的氣體隙相當于一個電阻。那么放電回路相