多針脈沖電源驅(qū)動多針平板電極介質(zhì)阻擋放電影響因素研究

多針脈沖電源驅(qū)動多針平板電極介質(zhì)阻擋放電影響因素研究

0脈沖電源激勵下多針—引言由于介質(zhì)阻抗放電（dap）在壓下產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫平等現(xiàn)象，不需要昂貴的真空設備，因此具有廣闊的應用前景。目前這種放電已被廣泛應用于材料表面改性、環(huán)境保護、醫(yī)學和等離子體顯示器等工業(yè)領域。近年來,隨著DBD應用的發(fā)展,DBD放電特性的研究也成為相關領域研究的熱點問題。DBD通常由驅(qū)動電源和放電電極構(gòu)成,驅(qū)動電源的類型和電極結(jié)構(gòu)對DBD的放電特性有很大影響,研究者嘗試采用不同的電源驅(qū)動不同電極結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生DBD并研究其放電特性。所采用的驅(qū)動電源類型包括工頻交流電源、高頻交流電源和脈沖電源等。其中,工頻DBD兩次放電間隔時間較長,且阻擋介質(zhì)層上積聚的表面電荷會在第2次反極性放電到來之前部分流失,導致單位時間內(nèi)放電消耗能量較低;高頻DBD兩次放電間隔時間短且放電持續(xù)時間長,放電消耗能量要高于工頻DBD,但放電容性電流較大,阻擋介質(zhì)吸收能量較多,不可避免地會出現(xiàn)阻擋介質(zhì)發(fā)熱問題,因此其放電效率較低。頻率過高時,阻擋介質(zhì)發(fā)熱過多,會影響其使用壽命甚至燒毀阻擋介質(zhì)。相比于工頻和高頻交流DBD,脈沖DBD由于其放電持續(xù)時間短且放電間隔時間相對較長,能量能在極短的時間內(nèi)注入到反應器內(nèi),從而能顯著提高放電均勻性以及放電效率,而且還可以避免阻擋介質(zhì)發(fā)熱問題。DBD所采用的電極結(jié)構(gòu)包括平行平板電極、多針—平板電極和同軸電極等,相比于平板電極DBD,多針—平板電極DBD屬于非均勻電場放電,可以將電暈放電和介質(zhì)阻擋放電的特點結(jié)合在一起,顯著降低放電擊穿電壓,使得放電更加均勻穩(wěn)定,而且放電消耗功率更大。而脈沖電源激勵下的多針—平板電極DBD除具有多針—平板電極DBD放電特點外,還能有效地減小介質(zhì)發(fā)熱并進一步提高放電效率,因此具有更為廣闊的應用前景。筆者曾建立了一套采用工頻電源激勵的多針—平板電極結(jié)構(gòu)的DBD反應器,并通過實驗研究了其放電特性和影響因素,文中則對μs脈沖電源激勵的多針—平板電極結(jié)構(gòu)DBD影響因素進行研究,研究了針密度、電壓幅值、氣隙距離對多針—平板DBD放電特性的影響,并通過計算得到放電功率和傳輸電荷量等放電參量,研究這些因素對這些放電參量的影響,以期為這種形式DBD反應器實際應用時的優(yōu)化設計提供參考。1實驗電極及材料實驗研究在實驗室敞開的空氣環(huán)境中進行,圖1給出了所采用的實驗裝置及電氣接線圖。電源采用自行設計的可以產(chǎn)生μs振蕩脈沖的脈沖電源。該電源可以產(chǎn)生幅值為0~35kV、持續(xù)頻率為1kHz的振蕩脈沖波。圖2給出了μs振蕩脈沖電源的輸出電壓波形。從圖2中可以看出,電源每次脈沖產(chǎn)生一個持續(xù)為200μs的包含多個脈沖的脈沖串,脈沖串中脈沖幅值逐漸衰減,每個單脈沖持續(xù)時間約為2μs。文中所采用的多針—平板電極見圖3。上電極為多針電極,其面積為24mm×24mm,多個不銹鋼針均勻分布于其上,針長16mm,針尖直徑約為0.08mm。為了研究針密度的影響,實驗時分別采用8針、16針、24針、36針4種針密度。下電極為直徑36mm的圓形黃銅平板電極。阻擋介質(zhì)采用厚度為1mm、面積為70mm×70mm的聚四氟乙烯(PTFE)板,將其覆蓋在下電極表面。實驗時,氣隙距離在0~5mm范圍內(nèi)可調(diào)。放電電壓波形通過TekP6015高壓探頭測量(帶寬為75MHz,分壓比為1000)。放電電流波形由一個串聯(lián)在放電回路中的阻值為10Ω的無感電阻R測得。實驗時的記錄儀器采用TekTDS-3054c數(shù)字示波器,其帶寬為500MHz,分辨率為5GS/s。放電圖像通過放置在側(cè)面與放電空間平行的數(shù)碼相機Canon400D拍攝得到。2影響多針斷塊特性的因素2.1多針—針密度的影響圖4給出了外加電壓幅值為12kV、氣隙距離為1mm時,所拍攝得到的不同針密度下多針—平板DBD的發(fā)光圖像。從圖4中可以看出,每個針的放電都比較穩(wěn)定、均勻,針尖處最為明亮,放電在阻擋介質(zhì)表面向外擴展,每個針尖下的圓錐形放電體在介質(zhì)表面相互融合,均勻地覆蓋在介質(zhì)表面。隨著針密度的增大,放電逐漸變強烈,發(fā)光強度增加,每根針的放電體互相融合疊加更為顯著,更加均勻地覆蓋在介質(zhì)表面。圖5給出了與圖4相同實驗條件下測量得到的多針—平板電極DBD的電壓電流波形。從圖5中可以看出,在外加電壓的一個周期內(nèi),放電電流波形均出現(xiàn)5~7個持續(xù)時間大約為2μs的電流脈沖,每個電流脈沖依次出現(xiàn)在電壓脈沖的上升沿和下降沿,電流脈沖的最大幅值可達安培級。8針電極情況下,有5個電流脈沖,電流脈沖最大幅值為1.2A。36針電極情況下,有7個電流脈沖,電流脈沖最大幅值為1.3A。隨著針密度的增大,電流脈沖的最大幅值變化不大,但電流脈沖的個數(shù)增多,說明針密度增加,放電隨之變得強烈。2.2不同電壓幅值下的電壓電流波形圖6給出了24針電極、氣隙距離為1mm時,拍攝得到的不同外加電壓幅值下多針—平板電極DBD的放電圖像。從圖6中可以看出,在6kV外加電壓幅值下,放電微弱、曲率半徑較小的針電極附近電場強度較大,電暈放電較為明顯,放電未貫穿整個氣隙。外加電壓幅值增加到8kV時,氣隙被完全擊穿,放電發(fā)光亮度也變強,放電在阻擋介質(zhì)表面開始向外擴展。當外加電壓幅值達到12kV時,放電變得更加明亮均勻,放電幾乎均勻地覆蓋到阻擋介質(zhì)表面。圖7給出了與圖6相同實驗條件下測得的不同電壓幅值下24針電極DBD的電壓電流波形圖。從圖7中可以看出,外加電壓幅值為6kV時,電流脈沖個數(shù)為3個,最大幅值為0.8A。外加電壓幅值為12kV時,電流脈沖個數(shù)為7個,最大幅值為1.2A。隨著電壓幅值的增大,電流脈沖的幅值逐漸增大,而脈沖的個數(shù)也逐漸增多,放電增強。2.3針尖處放電穩(wěn)定機理圖8給出了16針電極、外加電壓幅值為10kV時,拍攝得到的不同氣隙距離下多針—平板電極DBD的發(fā)光圖像。從圖8中可以看出,隨著氣隙距離的增加,放電減弱。氣隙距離為1mm時,放電最為強烈,發(fā)光強度最高,放電在介質(zhì)上擴展的距離也最大。氣隙距離大于2mm時,放電逐漸減弱,發(fā)光強度逐漸降低,放電在介質(zhì)上擴展的距離也逐漸減小。氣隙距離為4mm時,雖然氣隙被完全擊穿,但針尖處放電發(fā)光強度較大,放電變得不穩(wěn)定。圖9給出了與圖8相同實驗條件下測得的不同氣隙距離下多針—平板電極DBD的電壓電流波形。從圖9中可以看出,固定外加電壓幅值和介質(zhì)厚度,氣隙距離由1mm增大到4mm時,電流脈沖幅值由1.3A減小到1A,脈沖的個數(shù)由5個減少到4個,說明增大氣隙距離放電電離程度減弱。3放電電壓的計算DBD的放電參量有許多,這其中平均放電功率和傳輸電荷量是DBD等離子體工業(yè)應用中需要關心的兩個主要參量。平均放電功率是描述DBD放電強弱的重要參量,而傳輸電荷量的大小則決定DBD等離子體的化學反應效率和應用效果。因此,研究各種因素對DBD平均放電功率和傳輸電荷量等主要放電參量的影響對于實際應用中優(yōu)化DBD等離子體反應器設計具有實際意義。DBD的平均放電功率和傳輸電荷量可利用Lissajous圖形法和定義法通過測量得到的電壓電流數(shù)據(jù)計算得到,由于文中所采用電源的輸出電壓波形為幅值衰減的脈沖波,因此在示波器上不能得到穩(wěn)定閉合的Lissajious圖形,故文中采用定義法利用式(1)、(2)來計算得到DBD的平均放電功率P和傳輸電荷量Q。式(1)、(2)中:u(t)為DBD的瞬時放電電壓,i(t)為DBD的瞬時放電電流,u(t)和i(t)為采用示波器記錄的放電電壓和電流數(shù)據(jù);T為一個脈沖周期,文中實驗條件下,T為1ms。圖10、11分別給出氣隙距離1mm實驗條件,不同針密度下多針—平板電極DBD平均放電功率和傳輸電荷量隨外加電壓幅值變化的曲線。從圖10、11中可以看出,4種針電極DBD的放電功率和傳輸電荷量均隨外加電壓幅值的增加而增加,電壓幅值由5kV增加到14kV時,36針電極DBD的放電功率由7.69W增加到43.84W,傳輸電荷量由802.5nC增加到1538.3nC;當外加電壓幅值固定時,針密度對放電功率和傳輸電荷量的影響不顯著,放電功率和傳輸電荷量僅隨針的密度的增加而略有增加,電壓幅值為12V時,針密度從8增加到36,DBD的放電功率由24.04W增加到35.18W,傳輸電荷量由1356.4nC增加到1452.5nC。另外,從圖10、11中可以發(fā)現(xiàn),當外加電壓幅值大于10kV時,傳輸電荷量隨外加電壓增加的幅度要小于外加電壓幅值小于10kV時,放電功率隨外加電壓增加幅度要大于外加電壓幅值小于10kV時。4多針—機理分析多針—平板電極DBD屬于非均勻電場放電,氣隙中電場分布不均勻,存在高場強區(qū)(曲率半徑較小的針電極表面附近),隨外加電壓的增加,針電極表面最先達到擊穿場強,從而在針電極表面發(fā)生電暈放電。這時氣隙中其他各處由于電場強度未達到擊穿場強,仍保持絕緣狀態(tài)。隨著外加電壓的進一步升高,電暈層擴散從而導致氣隙的最終擊穿。當所加電壓脈沖為正極性時,針電極為正極性,電暈放電產(chǎn)生電子崩中的電子迅速進入針電極,而正離子則因其向板電極的運動速度很慢而暫留在針電極附近,這些正空間電荷削弱了針電極附近的電場,加強了電荷外部空間的電場,遏制了針電極附近流注的形成。正空間電荷加強了外部空間的電場,從而使得擊穿場強降低,當氣隙場強達到擊穿場強時,氣隙被完全擊穿,放電發(fā)展到流注放電,由于正空間電荷的存在,使得形成的流注較為劇烈。由于阻擋介質(zhì)的存在,使得空間電荷不是消失于電極而是在介質(zhì)表面不斷積聚,積聚的電荷產(chǎn)生一個與外加電場反向的電場,抵消外電場的作用。隨著阻擋介質(zhì)上積聚的電荷不斷增多,附加電場的作用不斷增強,氣隙中的總電場強度逐漸下降,當氣隙內(nèi)的電場強度小于氣體的擊穿場強時,放電熄滅。所加電壓脈沖為負極性時,針電極為負極性,電子崩也首先出現(xiàn)在針電極附近,電子迅速擴散并向板電極運動,在間隙中濃度很小,而正離子則緩慢地向針電極移動,在針電極附近的空間正電荷濃度很大,這些正空間電荷加強了針電極附近的場強而削弱了外部空間的場強,因此在針電極附近容易形成流注,其后放電貫穿整個空間,進而發(fā)展到熄滅狀態(tài)。上述分析表明,多針—平板電極DBD由針電極附近的電暈放電開始,然后發(fā)展到貫穿放電空間的流注放電,進而由于阻擋介質(zhì)的作用放電熄滅,這種放電兼具電暈放電和介質(zhì)阻擋放電的特點。當外加電壓幅值比較低時(小于10kV),放電主要以電暈放電為主,因此,隨外加電壓幅值的增加,電暈放電增強,消耗放電功率增加;同時,放電在阻擋介質(zhì)上擴展的距離不大,介質(zhì)上積聚的表面電荷不多,因此放電空間傳輸電荷隨外加電壓增加而顯著增加。當外加電壓幅值比較高時(大于10kV),除了針電極的電暈放電外,放電空間還發(fā)生較強烈的介質(zhì)阻擋放電,消耗更多的電離能量,使得放電消耗功率顯著增加;同時,放電在阻擋介質(zhì)上擴展的距離增加,介質(zhì)上積聚的表面電荷增加,因此使得放電空間傳輸電荷隨外加電壓增加而略有增加,正如圖6、7中的電氣特性以及圖10、11中實驗曲線所示。另外,增加針密度,放電功率和傳輸電荷量略有增加,這是因為針的密度增加,放電面積內(nèi)針的個數(shù)增加,每個針尖處都產(chǎn)生了流注通道,流注通道個數(shù)增加,它們之間相互疊加并互相融合,對放電有促進作用,使放電變得強烈,消耗更多的放電功率和傳輸更多的電荷,正如圖4、5中的實驗結(jié)果所示。圖8、9中,放電功率和傳輸電荷量隨氣隙距離的增加而減小,這主要是因為在外加電壓幅值一定時,隨著氣隙距離的增大氣隙中的場強減小,同時放電的起始電壓也將提高,因此氣隙中的放電減弱,放電消耗的功率和傳輸電荷量都降低。此外文中采用μs脈沖電源激勵,其電壓幅值快速上升,可對放電空間瞬間施加過電壓,對促進平均放電功率和傳輸電荷量的增加也起主要作用。這主要是由于電子在電場中獲得的能量與電場強度成正比,快速上升的電壓使得單位時間內(nèi)的碰撞電離系數(shù)升高,進而產(chǎn)生更多和更劇烈的放電,導致平均放電功率和傳輸電荷量增加。比較文中實驗條件下μs脈沖電源激勵DBD和相同電壓幅值下高頻電源激勵DBD發(fā)現(xiàn),μs脈沖電源激勵下多針—平板DBD的傳輸電荷量和放電功率均高于高頻電源激勵DBD,說明這種形式的DBD具有更高的效率。筆者曾驗證了工頻電源激勵多針—平板電極DBD對材料表面改性的效果,相比于平板—平板電極DBD,相同試驗條件下,多針—平板電極DBD的放電功率大,放電空間能產(chǎn)生更多的活性粒子,能在較短的時間內(nèi)達到更好的改性效果。而文中采用脈沖電源激勵多針—平板電極DBD,其放電功率更高、氣體電離程度更大,因此能產(chǎn)生更多的活性粒子?？梢灶A計采用文中這種形式的DBD進行材料表面改性時,相同條件下改性效果要優(yōu)于工頻電源激勵多針—平板電極DBD。此外,當DBD應用于空氣污染凈化等環(huán)保領域時,多針電極結(jié)構(gòu)和脈沖電源激勵被證明具有更高的去除效率。文中比較了多針—平板DBD和平板—平板DBD對NOx去除率的影響,發(fā)現(xiàn)在相同條件下,采用多針—平板電極DBD時,放電消耗更多的功率,傳輸更多的電荷、NOx去除率更高;文中比較了交流電源和脈沖電源激勵DBD脫除苯有機污染物的不同效果,發(fā)現(xiàn)脈沖電源激勵下DBD相對于高頻電源激勵來說