氦氣和sshr對(duì)hdbd放電特性的影響

氦氣和sshr對(duì)hdbd放電特性的影響

0壓縮壓hdbd放電特性的研究由于壓力均勻介質(zhì)的泄漏，無論尚光的真空設(shè)備是多少，均衡態(tài)低溫平等的離子都可以通過壓力均勻、功率密度合適的單元。因此，在材料表面的改性、消毒、環(huán)境保護(hù)、離心分離器等工業(yè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。惰性氣體中介質(zhì)阻擋放電(DBD)更容易在大氣壓條件下實(shí)現(xiàn)均勻放電,國(guó)內(nèi)外研究者已在多種氣體中產(chǎn)生的大氣壓HDBD的理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究方面取得了一些研究成果[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。Massines等對(duì)大氣壓氦氣和氮?dú)釮DBD進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究,結(jié)果表明大氣壓HDBD有類似于低壓輝光放電的結(jié)構(gòu),氦氣中放電為大氣壓輝光放電,氮?dú)庵蟹烹婋婋x水平低,為湯森放電。Trunce等實(shí)驗(yàn)研究了大氣壓氖氣HDBD的放電特性,結(jié)果表明氖氣HDBD的放電機(jī)理和類似于氦氣中HDBD。此外,Radu等采用圓柱-平板結(jié)構(gòu)對(duì)大氣壓惰性氣體中HDBD進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Golubovskii等對(duì)氦氣和氮?dú)庵卸嗝}沖HDBD及介質(zhì)表面電荷對(duì)放電的影響等方面進(jìn)行了仿真研究。王艷輝等仿真研究了大氣壓氦氣HDBD的物理機(jī)理。郝艷捧等實(shí)驗(yàn)研究了大氣壓氦氣多脈沖輝光放電的模式和機(jī)理,認(rèn)為大氣壓輝光放電的多個(gè)電流脈沖是表面電荷、空間電荷和外加電壓共同演化的結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)和仿真研究大多是針對(duì)某種氣體中放電模式和特性,對(duì)于不同氣體中DBD放電模式轉(zhuǎn)換和放電特性的比較較少涉及,而比較研究不同氣體中DBD的放電特性和機(jī)理,對(duì)于深入理解大氣壓均勻放電機(jī)理以及促進(jìn)其工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。本文實(shí)驗(yàn)研究了大氣壓氦氣和氖氣DBD的放電特性,確定了這兩種氣體中放電模式的轉(zhuǎn)變規(guī)律,比較了兩種氣體中HDBD的電氣特性和發(fā)光圖像特點(diǎn),并進(jìn)一步通過計(jì)算分析不同外加電壓幅值下兩種氣體中HDBD主要放電參量的變化規(guī)律,結(jié)合放電機(jī)理分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。1實(shí)驗(yàn)裝置及放電參數(shù)圖1給出了本文研究所采用的DBD實(shí)驗(yàn)裝置。電源采用幅值在0~20kV范圍內(nèi)、頻率在5~20kHz范圍內(nèi)可調(diào)的高頻交流電源。所采用的DBD電極結(jié)構(gòu)如圖2所示,上下電極采用直徑為50mm的圓形平板鋁電極,兩個(gè)直徑為90mm,厚度為2mm的石英玻璃分別作為阻擋介質(zhì),氣隙距離為8mm。將上下阻擋介質(zhì)間沿外圓周密封,從而形成一個(gè)密閉的反應(yīng)器。其中上層阻擋介質(zhì)左右兩側(cè)各開有一小孔,并接上兩個(gè)玻璃管,分別作為進(jìn)氣口和出氣口。實(shí)驗(yàn)氣體為高純度(體積分?jǐn)?shù)φB=99.9%)氦氣和氖氣,實(shí)驗(yàn)時(shí)通過調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)控制氣體流速,氣體經(jīng)進(jìn)氣管由進(jìn)氣口通入反應(yīng)器中。放電電壓由TekP6015高壓探頭(帶寬為75MHz,分壓比為1000)測(cè)量,放電電流由一個(gè)串聯(lián)在放電回路中阻值為50Ω的無感電阻測(cè)得。放電空間傳輸?shù)碾姾赏ㄟ^在放電回路上串聯(lián)一個(gè)22nF的測(cè)量電容器C0獲得,放電Lissajous圖形通過把高壓探頭測(cè)得的反應(yīng)器上的電壓和C0兩端的電壓分別加在示波器的X-Y軸得到。實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的電壓、電流波形及Lissajous圖形由TDS-3054c數(shù)字示波器記錄,示波器的帶寬為500MHz,采樣頻率5GHz。放電圖像用置于放電空間側(cè)面與放電氣隙成45°的數(shù)碼相機(jī)Canon500D拍攝得到,拍攝時(shí)相機(jī)的曝光時(shí)間為設(shè)置為0.25ms。2比較負(fù)載性能2.1dbd的電流特性實(shí)驗(yàn)時(shí),固定電源頻率為10kHz,氣體體積流量為3L/min,逐漸增大電源電壓幅值,通過測(cè)量得到的電壓電流波形和發(fā)光圖像來判斷放電是否為均勻放電。在此條件下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在一定電壓幅值范圍內(nèi),這2種氣體中DBD均可表現(xiàn)為均勻放電模式,氦氣中產(chǎn)生均勻放電的電壓幅值范圍為1.2~7kV;氖氣中產(chǎn)生均勻放電的電壓幅值范圍為0.8~5kV。圖3給出了外加電壓幅值為2.5kV時(shí)測(cè)得的氦氣和氖氣中HDBD的電壓電流波形、Lissajous圖形以及對(duì)應(yīng)的發(fā)光圖像。從圖3可見,電壓每半個(gè)周期內(nèi),氦氣HDBD有1個(gè)電流脈沖,脈沖幅值為0.5mA,持續(xù)時(shí)間6μs;對(duì)應(yīng)的Lissajous圖形中放電階段有1次電荷曲線性階躍。氖氣HDBD有2個(gè)電流脈沖,脈沖幅值為0.24mA,第1個(gè)電流脈沖持續(xù)時(shí)間8μs,對(duì)應(yīng)的Lissajous圖形中放電階段有2次電荷曲線性階躍。由圖3(c)可以看出,2種氣體中DBD均為均勻彌散模式,無放電細(xì)絲出現(xiàn),氦氣HDBD發(fā)光呈淡紫色,氖氣HDBD呈橘紅色。在產(chǎn)生HDBD的電壓幅值外,放電表現(xiàn)為絲狀模式。圖4給出了外加電壓幅值為14kV時(shí)氦氣和氖氣非均勻模式DBD的電壓電流波形、Lissajous圖形以及對(duì)應(yīng)的發(fā)光圖像。從圖中可以看出,電壓每半個(gè)周期的放電起始階段,氦氣非均勻DBD有1個(gè)幅值較大的電流脈沖,脈沖幅值為1.4mA,隨后出現(xiàn)許多個(gè)幅值較小,持續(xù)時(shí)間短的電流脈沖;對(duì)應(yīng)的Lissajous圖形中放電階段有一次電荷曲線形階躍,隨后近似為直線。氖氣非均勻DBD有許多個(gè)持續(xù)時(shí)間短的電流脈沖,且電流幅值比氦氣非均勻DBD大;對(duì)應(yīng)的Lissajous圖形中的放電階段近似呈直線。由圖4(c)可以看出,外加電壓幅值為14kV時(shí),放電強(qiáng)烈,相比于圖3(c),發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng),放電表現(xiàn)為絲狀模式,在均勻的發(fā)光背景下疊加了一些發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)的若干微放電細(xì)絲。2.2附加電壓幅值為了研究電壓幅值對(duì)放電特性的影響,固定電源頻率10kHz,氣體體積流量3L/min,改變外加電壓幅值在2~5kV范圍內(nèi)變化。圖5和圖6分別給出了不同外加電壓幅值下氦氣HDBD的發(fā)光圖像的電壓電流波形。從圖中可以看出,放電均呈現(xiàn)為均勻放電模式,放電彌散、均勻地覆蓋到整個(gè)電極表面。隨著電壓幅值的增大,放電逐漸變強(qiáng)烈,發(fā)光強(qiáng)度逐漸變大,由暗紫色變?yōu)樽仙?。外加電壓幅值?kV增加到5kV時(shí),電流脈沖的幅值由0.45mA增加到0.75mA;當(dāng)電壓幅值增大到3kV時(shí),首個(gè)電流脈沖結(jié)束2μs之后,又出現(xiàn)一個(gè)幅值較小的二次電流脈沖,其幅值為0.1mA,稱為“剩余電流峰”。二次電流脈沖的幅值隨外加電壓幅值的增加而增加,外加電壓幅值增大到5kV時(shí),二次電流脈沖幅值增大到0.2mA。另外,在電壓的每半個(gè)周期,隨外加電壓幅值增加,放電電流脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻提前,當(dāng)電壓幅值達(dá)到4kV時(shí),放電發(fā)生在電壓極性反向之前。在8mm的實(shí)驗(yàn)條件下,隨電壓幅值增加,未發(fā)現(xiàn)如其他研究者報(bào)道的氦氣中多脈沖HDBD現(xiàn)象,放電直接由均勻模式放電過渡到絲狀模式放電。固定電源頻率為10kHz,氣體流量為3L/min,外加電壓幅值在1.5~4kV范圍內(nèi)變化。圖7和圖8分別給出了不同外加電壓幅值下氖氣HDBD的發(fā)光圖像和電壓電流波形?？梢钥闯?氖氣HDBD的發(fā)光呈橘紅色,發(fā)光強(qiáng)度在放電空間均勻分布,隨著外加電壓幅值的增大,發(fā)光強(qiáng)度逐漸變大,亮度增強(qiáng),但仍為均勻放電。氖氣中HDBD特性和相同實(shí)驗(yàn)條件下氦氣HDBD特性有很大的不同,其電流脈沖幅值較小,且在外加電壓幅增大的過程中放電由單電流脈沖放電發(fā)展到多電流脈沖放電。外加電壓幅值1.5kV時(shí),放電表現(xiàn)為單脈沖HDBD,當(dāng)外加電壓幅值為2kV時(shí),電壓每半個(gè)周期出現(xiàn)2個(gè)電流脈沖,外加電壓幅值增大到4kV時(shí),電壓每半個(gè)周期出現(xiàn)4個(gè)電流脈沖,且多脈沖電流的幅值依次遞減,外加電壓幅值由1.5kV增加到4kV時(shí),電流脈沖的幅值由0.2mA增加到0.36mA。3hdbd放電參量演化的規(guī)律根據(jù)均勻DBD的等效電氣模型,利用測(cè)量得到的放電電壓電流波形,可以計(jì)算得到一些主要的放電參量,它們的計(jì)算公式為:Ud(t)=1Cd∫t0It(τ)dτ?12Cd∫T20It(τ)dτUd(t)=1Cd∫0tΙt(τ)dτ-12Cd∫0Τ2Ιt(τ)dτ;(1)Ig(t)=(1+CgCd)It(t)?CgdUt(t)dtΙg(t)=(1+CgCd)Ιt(t)-CgdUt(t)dt;(2)Ug(t)=Ut(t)-Ud(t)。(3)式中,Ut(t)為外加電壓;It(t)為回路總電流;Ig(t)為放電電流;Ug(t)為氣隙電壓;Ud(t)為介質(zhì)兩端電壓;Cg為氣隙等效電容;Cd為介質(zhì)等效電容;T為電源周期。此外,除上述放電參量外,根據(jù)測(cè)量得到的放電Lissajous圖形還可以計(jì)算得到放電功率P和傳輸電荷量Q等其他重要放電參量。利用如上方法分別計(jì)算了氦氣和氖氣中HDBD放電參量的演化規(guī)律,圖9和10分別給出了根據(jù)圖3測(cè)量得到的電壓電流波形計(jì)算得到的氦氣和氖氣HDBD的Ut、Ug、Ud和Ig的變化規(guī)律。對(duì)比圖3(a)中的電壓電流波形可以發(fā)現(xiàn),在相同外加電壓幅值下,氦氣HDBD的Ig(t)為單電流脈沖,脈沖幅值為0.5mA,大于氖氣HDBD的0.18mA。氦氣HDBD的Ug為1.85kV,小于氖氣HDBD的2kV。如圖9所示,在電壓的每半個(gè)周期,Ug隨著外加電壓的增大而增大,當(dāng)達(dá)到擊穿電壓時(shí),放電發(fā)生,在放電電流脈沖持續(xù)過程中,Ug下降,介質(zhì)表面聚積電荷導(dǎo)致Ud增大,當(dāng)放電結(jié)束之后,Ug繼續(xù)增大,Ud略有減小。如圖10所示,對(duì)于氖氣HDBD,在第1次電流脈沖結(jié)束之后,Ug繼續(xù)增加,再一次達(dá)到擊穿電壓,放電再一次發(fā)生,此時(shí)Ud繼續(xù)增加直至放電結(jié)束。圖11、12分別給出了根據(jù)公式(1)~(3)計(jì)算得到的主要放電參量隨Ut變化的曲線。圖13給出了根據(jù)Lissajous計(jì)算得到的P和Q隨Ut變化的曲線。由圖11可以看出,隨著外加電壓幅值的增大,兩種氣體中HDBD的Ud和Ug都非線性增大。且氦氣HDBD的Ug增加幅度較大,氖氣HDBD的Ud增加幅度較大。在外加電壓幅值<3kV時(shí),氖氣HDBD的Ug大于氦氣HDBD的Ug;在外加電壓幅值>3kV時(shí),氖氣HDBD的Ud大于氦氣HDBD的Ud。由圖12可以看出,隨著外加電壓幅值的增大,兩種氣體中HDBD的Ig均顯著增加,Id略微增加。當(dāng)電壓幅值<3kV時(shí),氦氣HDBD每半個(gè)電壓周期內(nèi)僅有1個(gè)電流脈沖,且隨著電壓幅值的增大,放電電流幅值增加幅度較大。當(dāng)電壓幅值>3kV時(shí),氖氣DBD每半個(gè)電壓周期內(nèi)有多個(gè)電流脈沖,且電流幅值隨外加電壓增大的幅度較大。由圖13可以看出,兩種氣體中HDBD的放電功率和傳輸電荷均隨外加電壓的增加而增加,相同條件下,氦氣HDBD的放電功率大于氖氣HDBD,但是當(dāng)外加電壓>1.5kV時(shí),氖氣HDBD傳輸電荷量小于氖氣HDBD。外加電壓幅值為5kV時(shí),氦氣HDBD的放電功率和傳輸電荷分別為54.6mW和11nC,氖氣HDBD分別為36.3mW和13.2nC。4多電流脈沖均勻放電形成原因分析DBD是否為均勻放電可以通過測(cè)量得到的電壓-電流波形和發(fā)光圖像結(jié)合來判斷,表現(xiàn)為在外加電壓每半個(gè)周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間為μs量級(jí)的電流脈沖,放電空間無細(xì)絲出現(xiàn)。近年來也有報(bào)道稱在外加電壓的每半個(gè)周期出現(xiàn)多個(gè)持續(xù)時(shí)間為μs量級(jí)的電流脈沖的DBD為多脈沖均勻放電。由圖3、圖6和圖8所示的電壓電流波形和發(fā)光圖像,可以判定本文實(shí)驗(yàn)條件下兩種氣體中DBD均為均勻放電。其中氖氣中均勻DBD為多脈沖HDBD,而氦氣中均勻DBD為單脈沖HDBD。產(chǎn)生均勻DBD的條件主要受外加電壓幅值影響,本文實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)氦和氖氣分別在外加電壓幅值>7kV和>5kV時(shí)呈現(xiàn)絲狀放電。兩種形式絲狀DBD均與HDBD放電特性有明顯區(qū)別,絲狀DBD在外加電壓每半個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)許多個(gè)持續(xù)時(shí)間為ns量級(jí)的電流脈沖。氦氣和氖氣中DBD會(huì)在每半周期放電結(jié)束后產(chǎn)生大量的亞穩(wěn)態(tài)粒子,亞穩(wěn)態(tài)的壽命較長(zhǎng),可以在下一次放電之前通過潘寧電離提供一定濃度的均勻分布的種子電子,種子電子的存在降低了擊穿場(chǎng)強(qiáng),使得電子雪崩在發(fā)展過程中更容易合并而不至于發(fā)展成電離通道,形成徑向均勻分布的電場(chǎng)從而形成均勻放電。但隨著外加電壓幅值的不斷增大,氣體電離程度增大,電子頻繁碰撞獲得更多的能量,放電產(chǎn)生的熱量增多,從而使得放電變的不穩(wěn)定,最終過渡到絲狀放電。對(duì)于多電流脈沖均勻放電形成原因,目前已有多種解釋,王德真通過數(shù)值模擬氦氣中多電流脈沖放電,認(rèn)為多電流脈沖的形成是由于介質(zhì)表面積累的電荷造成的。Mangolini實(shí)驗(yàn)研究了氦氣中多脈沖DBD,認(rèn)為多電流脈沖的形成是由于不均勻電場(chǎng)引起的不均勻電荷分布造成的。Golubovskii認(rèn)為多電流脈沖的形成是陽極附近的離子產(chǎn)生和陰極2次電子發(fā)射之間的時(shí)間延遲造成的。由圖10可看出,在本文的實(shí)驗(yàn)條件下,氖氣DBD電壓每半個(gè)周期內(nèi),氣隙電壓Ug隨著外加電壓的增大而增大,當(dāng)達(dá)到擊穿電壓時(shí),放電發(fā)生,在放電電流脈沖持續(xù)過程中,介質(zhì)表面聚積電荷形成反向電場(chǎng),抑制放電。第1次放電結(jié)束后,隨著Ug增大,當(dāng)再次達(dá)到擊穿電壓時(shí),引起了下一次擊穿,從而形成了多電流脈沖。而從圖9中可以看出,氦氣中HDBD第1次電流脈沖結(jié)束后,Ug也會(huì)繼續(xù)增加,但未能引起進(jìn)一步擊穿。這可能是因?yàn)楹庵械?次放電時(shí)介質(zhì)表面聚積電荷更多,形成反向電場(chǎng)的作用更強(qiáng),因而對(duì)放電的抑制作用更強(qiáng)的緣故。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,沒能得到分時(shí)的放電照片,因此對(duì)本實(shí)驗(yàn)中氦氣中單脈沖產(chǎn)生及氖氣中多電流脈沖產(chǎn)生的原因無法進(jìn)行更為詳細(xì)的分析。雖然在氦氣和氖氣中均能產(chǎn)生HDBD,但是氦氣和氖氣HDBD的放電特性明顯不同,如圖6和圖8所示。首先,外加電壓<3kV時(shí),氦氣HDBD電流脈沖要比氖氣中HDBD電流脈沖持續(xù)時(shí)間短,這是由于相同電壓幅值下,氦氣中HDBD電流幅值大,相同時(shí)間內(nèi)在介質(zhì)表面積聚的電荷較多,介質(zhì)電壓Ud較大從而使放電熄滅,因此放電時(shí)間較短。其次,外加電壓幅值>3kV時(shí),氦氣HDBD電流特性表現(xiàn)為單電流脈沖和“剩余電流峰”的出現(xiàn),這是由于放電結(jié)束之后,一些電子被捕獲在放電空間內(nèi),在外加電場(chǎng)的作用下向陽極移動(dòng),從而形成微弱的電流,其幅值的大小主要取決于放電空間內(nèi)電子的數(shù)目,隨著外加電壓幅值的增大,放電結(jié)束后被捕獲在放電空間的電子數(shù)目增多,因此“剩余電流峰”的幅值逐漸增大。而氖氣HDBD電流特性則表現(xiàn)為幅值依次遞減的多電流脈沖序列,在多電流脈沖序列的后期,由于介質(zhì)表面不斷聚積的電荷減弱了氣隙間的電場(chǎng),抑制放電,使得放電電流脈沖的幅值依次減小。由式(1)可知,Ud的大小和介質(zhì)表面聚積電荷的多少有關(guān),因此,在外加電壓<3kV時(shí),氦氣HDBD的電流幅值相比于氖氣HDBD的大,在介質(zhì)表面聚積的電荷較多,因此其Ud大于氖氣HDBD的Ud;當(dāng)外加電壓>