高壓輝光放電穩(wěn)定性的影響因素

高壓輝光放電穩(wěn)定性的影響因素

1.多針電暈增強放電裝置在空氣中的穩(wěn)定性在高壓下，實驗中用于產生非平衡離子的設備主要包括電頭暈和介質電阻壓力裝置。電頭暈壓力壓的特點是高壓，電壓低，放電效率低，并且很容易從電頭暈轉化為空氣和電拱。雖然介質阻滯器可以獲得較大的體積均勻放電，但這方面的氣體主要集中在惰性氣體和氧氣中。要實現(xiàn)空氣中的光明，需要非常困難的氣體。毫無疑問，這限制了工業(yè)中對介質屏蔽的廣泛應用。因此，有必要在空氣中生成體積均勻放電的裝置。由于在自持放電的過程中,最大電場強度通常出現(xiàn)在陰極位降區(qū),這里也是電離率最高的區(qū)域,所以輝光向弧光的轉化多由此區(qū)域內的電壓漲落引發(fā).為了減小這種影響,最初的做法是把陰極分成許多小的區(qū)域,每一個小區(qū)域都串接阻值很大的電阻,這樣就可以有效地抑制電弧的產生.這種思路的進一步發(fā)展就是把陰極做成針尖,或者用阻性材料或半導體材料甚至是水做成陰極.另一種影響放電穩(wěn)定性的因素是在放電過程中產生的熱量會引起局部氣體的膨脹,導致約化電場E/N(E是電場強度,N是中性氣體密度)增加,引起電離率的增加,形成正反饋機理,導致放電的不穩(wěn)定.這種由熱量引發(fā)的不穩(wěn)定性的發(fā)生時間常數(shù)通常在ms量級,因此可以利用吹風的方法加以抑制.多針電暈增強放電裝置在空氣中可以實現(xiàn)穩(wěn)定的大體積輝光,由于使用直流電源,因此具有較高的效率,在聚合物表面改性,環(huán)境保護以及殺菌消毒等方面有著廣闊的應用前景.1993年,Akishev等人利用多針-平板放電裝置,在大氣壓下氣體流動的條件下得到直流輝光,并利用該裝置進行了廢氣處理.他們對場強分布也進行了測量,得到的結果顯示場強和電壓成線性關系;2000年,Li等人發(fā)現(xiàn)如果把針尖-平板裝置改成針尖-凹坑裝置更加有利于放電的穩(wěn)定;到了2001年,Akishev等人進一步發(fā)展了他們的放電裝置,把電極的形狀改成了圓點-凹坑,圓點和凹坑的曲率半徑吻合,極大地改善了放電的穩(wěn)定性,提高了輝光電流密度.對于單針系統(tǒng)放電穩(wěn)定性的研究,Akishev等人也做了大量的工作.研究結果表明,由于針尖附近區(qū)域的伏安特性曲線的斜率為正,而漂移區(qū)域的電場強度相對很低,因此陽極位降區(qū)對放電不穩(wěn)定性的影響是最大的.在輝光放電的過程中,陽極附近會由負離子區(qū)域形成陽極位降區(qū),表現(xiàn)出負的伏安特性,所以容易在陽極表面引發(fā)陽極亮斑的形成,并進而在亮斑處積聚能量,從而形成火花.因此,陽極亮斑的形成是從輝光過渡到火花的一個必要條件.2.針板-凹坑模型圖1是多針電暈增強裝置示意圖.實驗裝置可以分成4部分,即電源、放電室、吹風系統(tǒng)和測量系統(tǒng).實驗中采用的電源是負直流電源,可以提供0—40kV的直流電壓,最大輸出功率為2kW.放電室由不銹鋼制成,長方體(20cm×12cm×17cm).電極采用針板-凹坑結構,上極板為金屬陽極,上面均勻分布著直徑為0.8cm的半球形凹坑,坑的中心點之間的距離為1cm.在每一個坑的中心點垂直正下方對應陰極的一根針,針尖的錐度為45°,共有13根,分成3排,一、三排4根,二排5根.每一根針的尾部都串接一個阻值為2MΩ的電阻用以防止電弧的產生.針尖和陽極的間距(針尖到凹坑中心的距離)在0—5cm范圍內連續(xù)可調.一個鼓風機產生的氣流經過噴嘴產生流速為102m/s的平行氣流進入放電室.放電室側面是石英窗口,一臺數(shù)碼相機用來拍攝放電圖片.一個阻值為100Ω的電阻與陽極相連,產生的電流信號輸入到示波器的一個通道,示波器的帶寬為500MHz.電壓波形則通過高壓探頭(1000∶1)輸入到示波器的另一個通道.3.多針伏安特性圖2是在極板間距為1.5cm,無氣流和空氣流速為102m/s時的發(fā)光圖片.從圖中可以看出,無論有無氣流存在,當外加電壓逐漸升高時,放電都將依次經歷三個階段,即電暈階段、輝光階段和火花階段.當外加電壓為6kV時,為電暈放電階段,此時只有針尖附近發(fā)光(圖2(a)和(a′),說明此時只有針尖附近的電離區(qū)場強最高,電離和激發(fā)都發(fā)生在這一區(qū)域.在輝光放電階段,在有氣流和無氣流時的放電發(fā)展過程有著明顯的區(qū)別.在沒有氣流條件下,當外加電壓為8kV時出現(xiàn)陽極輝區(qū),發(fā)光區(qū)域主要存在于針尖和陽極附近,而中間區(qū)域是暗的(圖2(b)).在有氣流的條件下,當外加電壓超過8kV時,陽極輝區(qū)形成以后,其厚度會隨著電壓的增加不斷擴展,最終凹坑與針尖之間形成圓錐狀的發(fā)光區(qū)域(圖2(b′)).說明在有氣流時,放電間隙中部的場強也能達到較高的數(shù)值,從而在這一區(qū)域也出現(xiàn)較強的激發(fā)和電離過程.此外,從輝光向火花過渡的過程,二者也有著明顯的不同.在沒有氣流的情況下,從輝光向火花過渡的閾值電壓為9kV,過渡的過程中觀察不到陽極亮斑的形成過程(圖2(c)),這說明陽極亮斑存在的時間非常短暫,幾乎是一形成就立刻進入火花放電.而在有氣流的條件下,過渡的閾值電壓為10kV,在陽極凹坑周圍可以觀察到明顯的亮斑形成(圖2(c′)),說明了氣流對亮斑的發(fā)展過程有著明顯的抑制作用,亮斑形成以后不會馬上過渡到火花,因此才可以在更高的電壓下得到發(fā)光更強的圖片.圖3是在極板間距為1.5cm,氣體流速為102m/s時的電暈和輝光電壓-電流波形圖,在這里沒有記錄火花放電的波形圖是因為火花放電會產生很大的電流脈沖,容易損壞測量設備.圖3(a)是電暈放電階段,對應發(fā)光圖片圖2(a′),電流波形是典型的Trichel脈沖,脈沖的頻率低,不包含直流成分.圖3(b)和(c)是從電暈向輝光過渡的中間階段,電流在脈沖的基礎上出現(xiàn)直流成分,同時隨著電壓的增加,脈沖的頻率變高,幅值降低.當電壓增加到9.6kV,脈沖成分消失,電流完全變成直流,放電進入到輝光階段,如圖3(d)所示,此波形與圖2(b′)對應.對于Trichel脈沖現(xiàn)象,一些作者已經做了研究.在本實驗中出現(xiàn)的存在直流的Trichel脈沖現(xiàn)象,我們認為是基于以下的過程:在電暈放電中,電離區(qū)域存在著很高的電場,而漂移區(qū)域電場強度卻很低,這樣由尖端電離產生的電子,在漂移區(qū)的低場條件下會被O2吸附,形成O-2.而O-2在漂移區(qū)低場中緩慢的漂移速度會引起O-2的積聚,使局部電勢降低,在尖端附近形成反向電場,使合場強降低.當合場強低于擊穿電場時,放電就會截止,從而形成電流脈沖.只有尖端附近的O-2遷移走一部分,使合場強升高到高于擊穿電場時,下一個脈沖才能開啟.隨著外加電壓的升高,電離率增加,同時漂移區(qū)的電場有所增強,O-2的遷移速度增加,導致了電流脈沖頻率增加.對于直流成分的出現(xiàn),我們認為是與陽極位降區(qū)的形成有關.O-2離子在電場的驅動下,漂移到陽極附近,形成陽極位降區(qū),在陽極位降區(qū)內部的電場可以達到比較高的程度,使得吸附電子被剝離,形成電子流,同時,這一區(qū)域較強的電場也可以直接引發(fā)激發(fā)和電離過程,從而形成直流成分,但是由于此時針尖附近的O-2的屏蔽效應依然存在,所以會產生直流與脈沖并存的狀態(tài).隨著電壓的增加,根據(jù)Akishev等人的計算結果,會導致放電空間內的電場強度線性增加,所以場強從陽極附近向陰極擴展,使得靠近陽極更大范圍的放電空間中的O-2被剝離,同時產生激發(fā)和電離.當電壓增加到9.6kV時,在整個圓錐狀放電空間內已經不能存在O-2,因此屏蔽效應消除,電流的脈沖成分消失,變成完全直流,放電進入輝光階段.圖4是在間距為2.4cm,無氣流和空氣流速為102m/s時的多針伏安特性曲線.由于從電暈向輝光轉化的臨界點(B和B′)從上圖中很難看出,因此這兩點的確定是根據(jù)波形圖中產生直流成分時的電壓值來標定的.從圖中可以看到,兩條曲線都可以分成三個階段:A—B(和A′—B′)是電暈放電階段,電流隨著電壓的增加而緩慢增加;B—C(和B′—C′)是輝光放電階段,曲線的斜率逐漸增大,在這兩個階段里,呈現(xiàn)正的電阻特性,放電穩(wěn)定;C—D(和C′—D′)是火花放電階段,曲線斜率急劇上升,出現(xiàn)負電阻特性,放電穩(wěn)定性被破壞,這一階段在測量過程中由于電流表的指針抖動劇烈,很難得到精確的數(shù)值,存在較大的誤差,因此只取了一個點.從圖4可以看到,兩條曲線在A—C段幾乎完全重合,說明了氣流對這段電壓區(qū)間的電流強度沒有顯著的影響.但是在沒有氣流的情況下,輝光的電壓區(qū)間是從10kV到11.8kV,遠遠小于有氣流時的從10kV到13.8kV.氣流還會使從輝光向火花轉化的閾值電流Ic增加.在無氣流狀態(tài)下,Ic是0.85mA,在有氣流的狀態(tài)下,Ic可以達到1.78mA,增加了2.1倍.因此,氣流對放電的最大影響就是增加了從輝光向火花轉化的閾值電壓和電流,在更大電壓范圍內得到了更大電流強度的輝光.這是因為從輝光向火花的過渡首先是從形成陽極亮斑開始的.陽極亮斑的形成,會導致這一點電離率的增加,并產生大量的熱量,而熱量又會引起氣體體積的膨脹,從而使約化電場E/N增加,這樣進一步引起電離率的增加,從而形成了一個正反饋的過程,引起放電從輝光過渡到火花.由于這一過渡過程所需的時間常數(shù)在毫秒量級,因此高速氣流會帶走大部分的熱量,阻止了正反饋過程的形成,對亮斑的發(fā)展有著顯著的抑制作用,使得從輝光向火花過渡的閾值電流值有了明顯的提高,這同時解釋了在有氣流的情況下能觀察到陽極亮斑形成的原因(圖2(C′)).在多針電暈系統(tǒng)中,我們比較關心的一個問題是在有氣流的條件下,多針之間是否會產生相互影響.為了避免在測量過程中不同的針和上極板間距的微小差異帶來的誤差,在放電過程中僅對第二排中間的7號針進行測量.圖5是在極板間距為1.2cm,空氣流速為102m/s時,分別在第二排單獨放電,一二排放電以及二三排放電時7號針的伏安特性曲線.從圖中可以看出,三條曲線是基本重合的.這說明了無論在電暈階段還是輝光階段,第一和第三排的放電,即使在有氣流的條件下,也不會對第二排產生明顯的影響.表明了在放電過程中,產生的熱量較低,被氣流帶走后不足以引起后一排氣體的有效膨脹而導致電離率的增加;放電過程中產生的帶電粒子會受到電場的有效約束,即使是在電場相對較弱的正柱區(qū),徑向電場力也大于氣流對離子的拖曳力,因此在放電過程中,前排放電產生的離子不會被氣流帶走,從而引起后排放電的增強.圖6是在氣流流速為102m/s時對應不同間距的多針伏安特性曲線.從圖中可以看出,隨著間距的增加,輝光區(qū)間的電壓范圍逐漸增加.在d=0.6cm時,基本是一條直線,看不到明顯的輝光區(qū)間.在d增加到2.4cm時,輝光區(qū)間的電壓范圍擴展到了3.2kV.因此大的極板間距更有利于穩(wěn)定輝光的產生.這是因為在極板間距很小的時候,針尖和其正對的陽極上的凹坑中心點很近,電場分布類似于針尖-平板結構,符合Warburgian分布,針的中心軸向方向電場最強,離子密度也最高,因此很小的電壓增加就會導致凹坑中心產生陽極亮斑,從而過渡到火花放電.隨著極板間距的增加,針尖和凹坑之間能夠形成較好的匹配關系,此時的電場分布不再符合Warburgian分布,電場分布在陽極附近更加趨于均勻,從而能夠得到更大的輝光區(qū)間,放電也更加穩(wěn)定.圖7是在氣流流速為102m/s時,極板間距與輝光到火花的閾值電流Ic的關系曲線.從圖中可以看出,Ic的最大值出現(xiàn)在d=1.2cm處,這稍稍大于我們設計的針尖與凹坑最佳匹配時的間距值(d=1cm).這是因為,隨著間距的增加,電場分布已經不再符合Warburgian分布,最大場強不在凹坑的中心.根據(jù)Goossens等人的實驗結果,在極板間距大于1cm的情況下,凹坑邊緣的電流密度要逐漸超過凹坑中心,并且這一結果與總電流強度無關.還由于氣流流過凹坑邊緣的速度要稍稍大于流過中心的,考慮氣流對陽極亮斑發(fā)展的抑制作用,凹坑周圍可以容納更大的電流密度,因此Ic的最大值出現(xiàn)在稍稍大于最優(yōu)化電場分布的極板間距處.從圖中還可以看到,間距的進一步增加,超過1.2cm時,Ic會減小,我們認為有兩點原因:一是極板間距的進一步增加會導致凹坑周圍的電流密度進一步超過凹坑中心部分的,所以當凹坑周圍形成亮斑并達到向火花過渡的閾值時,凹坑中心的電流密度還處在相對較低的水平,使得Ic減小.二是極板間距的增加會使相鄰的放電區(qū)域在陽極附近互相重疊,從而使重疊部分的電流密度增加,導致陽極亮斑容易形成而過渡到火花,這也會導致Ic減小.4.trch-4-特性本文通過發(fā)光圖片、波形圖以及伏