多针脉冲电源驱动多针平板电极介质阻挡放电影响因素研究

多针脉冲电源驱动多针平板电极介质阻挡放电影响因素研究

0脉冲电源激励下多针—引言由于介质阻抗放电（dap）在压下产生非平衡态低温平等现象，不需要昂贵的真空设备，因此具有广阔的应用前景。目前这种放电已被广泛应用于材料表面改性、环境保护、医学和等离子体显示器等工业领域。近年来,随着DBD应用的发展,DBD放电特性的研究也成为相关领域研究的热点问题。DBD通常由驱动电源和放电电极构成,驱动电源的类型和电极结构对DBD的放电特性有很大影响,研究者尝试采用不同的电源驱动不同电极结构来产生DBD并研究其放电特性。所采用的驱动电源类型包括工频交流电源、高频交流电源和脉冲电源等。其中,工频DBD两次放电间隔时间较长,且阻挡介质层上积聚的表面电荷会在第2次反极性放电到来之前部分流失,导致单位时间内放电消耗能量较低;高频DBD两次放电间隔时间短且放电持续时间长,放电消耗能量要高于工频DBD,但放电容性电流较大,阻挡介质吸收能量较多,不可避免地会出现阻挡介质发热问题,因此其放电效率较低。频率过高时,阻挡介质发热过多,会影响其使用寿命甚至烧毁阻挡介质。相比于工频和高频交流DBD,脉冲DBD由于其放电持续时间短且放电间隔时间相对较长,能量能在极短的时间内注入到反应器内,从而能显著提高放电均匀性以及放电效率,而且还可以避免阻挡介质发热问题。DBD所采用的电极结构包括平行平板电极、多针—平板电极和同轴电极等,相比于平板电极DBD,多针—平板电极DBD属于非均匀电场放电,可以将电晕放电和介质阻挡放电的特点结合在一起,显著降低放电击穿电压,使得放电更加均匀稳定,而且放电消耗功率更大。而脉冲电源激励下的多针—平板电极DBD除具有多针—平板电极DBD放电特点外,还能有效地减小介质发热并进一步提高放电效率,因此具有更为广阔的应用前景。笔者曾建立了一套采用工频电源激励的多针—平板电极结构的DBD反应器,并通过实验研究了其放电特性和影响因素,文中则对μs脉冲电源激励的多针—平板电极结构DBD影响因素进行研究,研究了针密度、电压幅值、气隙距离对多针—平板DBD放电特性的影响,并通过计算得到放电功率和传输电荷量等放电参量,研究这些因素对这些放电参量的影响,以期为这种形式DBD反应器实际应用时的优化设计提供参考。1实验电极及材料实验研究在实验室敞开的空气环境中进行,图1给出了所采用的实验装置及电气接线图。电源采用自行设计的可以产生μs振荡脉冲的脉冲电源。该电源可以产生幅值为0~35kV、持续频率为1kHz的振荡脉冲波。图2给出了μs振荡脉冲电源的输出电压波形。从图2中可以看出,电源每次脉冲产生一个持续为200μs的包含多个脉冲的脉冲串,脉冲串中脉冲幅值逐渐衰减,每个单脉冲持续时间约为2μs。文中所采用的多针—平板电极见图3。上电极为多针电极,其面积为24mm×24mm,多个不锈钢针均匀分布于其上,针长16mm,针尖直径约为0.08mm。为了研究针密度的影响,实验时分别采用8针、16针、24针、36针4种针密度。下电极为直径36mm的圆形黄铜平板电极。阻挡介质采用厚度为1mm、面积为70mm×70mm的聚四氟乙烯(PTFE)板,将其覆盖在下电极表面。实验时,气隙距离在0~5mm范围内可调。放电电压波形通过TekP6015高压探头测量(带宽为75MHz,分压比为1000)。放电电流波形由一个串联在放电回路中的阻值为10Ω的无感电阻R测得。实验时的记录仪器采用TekTDS-3054c数字示波器,其带宽为500MHz,分辨率为5GS/s。放电图像通过放置在侧面与放电空间平行的数码相机Canon400D拍摄得到。2影响多针断块特性的因素2.1多针—针密度的影响图4给出了外加电压幅值为12kV、气隙距离为1mm时,所拍摄得到的不同针密度下多针—平板DBD的发光图像。从图4中可以看出,每个针的放电都比较稳定、均匀,针尖处最为明亮,放电在阻挡介质表面向外扩展,每个针尖下的圆锥形放电体在介质表面相互融合,均匀地覆盖在介质表面。随着针密度的增大,放电逐渐变强烈,发光强度增加,每根针的放电体互相融合叠加更为显著,更加均匀地覆盖在介质表面。图5给出了与图4相同实验条件下测量得到的多针—平板电极DBD的电压电流波形。从图5中可以看出,在外加电压的一个周期内,放电电流波形均出现5~7个持续时间大约为2μs的电流脉冲,每个电流脉冲依次出现在电压脉冲的上升沿和下降沿,电流脉冲的最大幅值可达安培级。8针电极情况下,有5个电流脉冲,电流脉冲最大幅值为1.2A。36针电极情况下,有7个电流脉冲,电流脉冲最大幅值为1.3A。随着针密度的增大,电流脉冲的最大幅值变化不大,但电流脉冲的个数增多,说明针密度增加,放电随之变得强烈。2.2不同电压幅值下的电压电流波形图6给出了24针电极、气隙距离为1mm时,拍摄得到的不同外加电压幅值下多针—平板电极DBD的放电图像。从图6中可以看出,在6kV外加电压幅值下,放电微弱、曲率半径较小的针电极附近电场强度较大,电晕放电较为明显,放电未贯穿整个气隙。外加电压幅值增加到8kV时,气隙被完全击穿,放电发光亮度也变强,放电在阻挡介质表面开始向外扩展。当外加电压幅值达到12kV时,放电变得更加明亮均匀,放电几乎均匀地覆盖到阻挡介质表面。图7给出了与图6相同实验条件下测得的不同电压幅值下24针电极DBD的电压电流波形图。从图7中可以看出,外加电压幅值为6kV时,电流脉冲个数为3个,最大幅值为0.8A。外加电压幅值为12kV时,电流脉冲个数为7个,最大幅值为1.2A。随着电压幅值的增大,电流脉冲的幅值逐渐增大,而脉冲的个数也逐渐增多,放电增强。2.3针尖处放电稳定机理图8给出了16针电极、外加电压幅值为10kV时,拍摄得到的不同气隙距离下多针—平板电极DBD的发光图像。从图8中可以看出,随着气隙距离的增加,放电减弱。气隙距离为1mm时,放电最为强烈,发光强度最高,放电在介质上扩展的距离也最大。气隙距离大于2mm时,放电逐渐减弱,发光强度逐渐降低,放电在介质上扩展的距离也逐渐减小。气隙距离为4mm时,虽然气隙被完全击穿,但针尖处放电发光强度较大,放电变得不稳定。图9给出了与图8相同实验条件下测得的不同气隙距离下多针—平板电极DBD的电压电流波形。从图9中可以看出,固定外加电压幅值和介质厚度,气隙距离由1mm增大到4mm时,电流脉冲幅值由1.3A减小到1A,脉冲的个数由5个减少到4个,说明增大气隙距离放电电离程度减弱。3放电电压的计算DBD的放电参量有许多,这其中平均放电功率和传输电荷量是DBD等离子体工业应用中需要关心的两个主要参量。平均放电功率是描述DBD放电强弱的重要参量,而传输电荷量的大小则决定DBD等离子体的化学反应效率和应用效果。因此,研究各种因素对DBD平均放电功率和传输电荷量等主要放电参量的影响对于实际应用中优化DBD等离子体反应器设计具有实际意义。DBD的平均放电功率和传输电荷量可利用Lissajous图形法和定义法通过测量得到的电压电流数据计算得到,由于文中所采用电源的输出电压波形为幅值衰减的脉冲波,因此在示波器上不能得到稳定闭合的Lissajious图形,故文中采用定义法利用式(1)、(2)来计算得到DBD的平均放电功率P和传输电荷量Q。式(1)、(2)中:u(t)为DBD的瞬时放电电压,i(t)为DBD的瞬时放电电流,u(t)和i(t)为采用示波器记录的放电电压和电流数据;T为一个脉冲周期,文中实验条件下,T为1ms。图10、11分别给出气隙距离1mm实验条件,不同针密度下多针—平板电极DBD平均放电功率和传输电荷量随外加电压幅值变化的曲线。从图10、11中可以看出,4种针电极DBD的放电功率和传输电荷量均随外加电压幅值的增加而增加,电压幅值由5kV增加到14kV时,36针电极DBD的放电功率由7.69W增加到43.84W,传输电荷量由802.5nC增加到1538.3nC;当外加电压幅值固定时,针密度对放电功率和传输电荷量的影响不显著,放电功率和传输电荷量仅随针的密度的增加而略有增加,电压幅值为12V时,针密度从8增加到36,DBD的放电功率由24.04W增加到35.18W,传输电荷量由1356.4nC增加到1452.5nC。另外,从图10、11中可以发现,当外加电压幅值大于10kV时,传输电荷量随外加电压增加的幅度要小于外加电压幅值小于10kV时,放电功率随外加电压增加幅度要大于外加电压幅值小于10kV时。4多针—机理分析多针—平板电极DBD属于非均匀电场放电,气隙中电场分布不均匀,存在高场强区(曲率半径较小的针电极表面附近),随外加电压的增加,针电极表面最先达到击穿场强,从而在针电极表面发生电晕放电。这时气隙中其他各处由于电场强度未达到击穿场强,仍保持绝缘状态。随着外加电压的进一步升高,电晕层扩散从而导致气隙的最终击穿。当所加电压脉冲为正极性时,针电极为正极性,电晕放电产生电子崩中的电子迅速进入针电极,而正离子则因其向板电极的运动速度很慢而暂留在针电极附近,这些正空间电荷削弱了针电极附近的电场,加强了电荷外部空间的电场,遏制了针电极附近流注的形成。正空间电荷加强了外部空间的电场,从而使得击穿场强降低,当气隙场强达到击穿场强时,气隙被完全击穿,放电发展到流注放电,由于正空间电荷的存在,使得形成的流注较为剧烈。由于阻挡介质的存在,使得空间电荷不是消失于电极而是在介质表面不断积聚,积聚的电荷产生一个与外加电场反向的电场,抵消外电场的作用。随着阻挡介质上积聚的电荷不断增多,附加电场的作用不断增强,气隙中的总电场强度逐渐下降,当气隙内的电场强度小于气体的击穿场强时,放电熄灭。所加电压脉冲为负极性时,针电极为负极性,电子崩也首先出现在针电极附近,电子迅速扩散并向板电极运动,在间隙中浓度很小,而正离子则缓慢地向针电极移动,在针电极附近的空间正电荷浓度很大,这些正空间电荷加强了针电极附近的场强而削弱了外部空间的场强,因此在针电极附近容易形成流注,其后放电贯穿整个空间,进而发展到熄灭状态。上述分析表明,多针—平板电极DBD由针电极附近的电晕放电开始,然后发展到贯穿放电空间的流注放电,进而由于阻挡介质的作用放电熄灭,这种放电兼具电晕放电和介质阻挡放电的特点。当外加电压幅值比较低时(小于10kV),放电主要以电晕放电为主,因此,随外加电压幅值的增加,电晕放电增强,消耗放电功率增加;同时,放电在阻挡介质上扩展的距离不大,介质上积聚的表面电荷不多,因此放电空间传输电荷随外加电压增加而显著增加。当外加电压幅值比较高时(大于10kV),除了针电极的电晕放电外,放电空间还发生较强烈的介质阻挡放电,消耗更多的电离能量,使得放电消耗功率显著增加;同时,放电在阻挡介质上扩展的距离增加,介质上积聚的表面电荷增加,因此使得放电空间传输电荷随外加电压增加而略有增加,正如图6、7中的电气特性以及图10、11中实验曲线所示。另外,增加针密度,放电功率和传输电荷量略有增加,这是因为针的密度增加,放电面积内针的个数增加,每个针尖处都产生了流注通道,流注通道个数增加,它们之间相互叠加并互相融合,对放电有促进作用,使放电变得强烈,消耗更多的放电功率和传输更多的电荷,正如图4、5中的实验结果所示。图8、9中,放电功率和传输电荷量随气隙距离的增加而减小,这主要是因为在外加电压幅值一定时,随着气隙距离的增大气隙中的场强减小,同时放电的起始电压也将提高,因此气隙中的放电减弱,放电消耗的功率和传输电荷量都降低。此外文中采用μs脉冲电源激励,其电压幅值快速上升,可对放电空间瞬间施加过电压,对促进平均放电功率和传输电荷量的增加也起主要作用。这主要是由于电子在电场中获得的能量与电场强度成正比,快速上升的电压使得单位时间内的碰撞电离系数升高,进而产生更多和更剧烈的放电,导致平均放电功率和传输电荷量增加。比较文中实验条件下μs脉冲电源激励DBD和相同电压幅值下高频电源激励DBD发现,μs脉冲电源激励下多针—平板DBD的传输电荷量和放电功率均高于高频电源激励DBD,说明这种形式的DBD具有更高的效率。笔者曾验证了工频电源激励多针—平板电极DBD对材料表面改性的效果,相比于平板—平板电极DBD,相同试验条件下,多针—平板电极DBD的放电功率大,放电空间能产生更多的活性粒子,能在较短的时间内达到更好的改性效果。而文中采用脉冲电源激励多针—平板电极DBD,其放电功率更高、气体电离程度更大,因此能产生更多的活性粒子。可以预计采用文中这种形式的DBD进行材料表面改性时,相同条件下改性效果要优于工频电源激励多针—平板电极DBD。此外,当DBD应用于空气污染净化等环保领域时,多针电极结构和脉冲电源激励被证明具有更高的去除效率。文中比较了多针—平板DBD和平板—平板DBD对NOx去除率的影响,发现在相同条件下,采用多针—平板电极DBD时,放电消耗更多的功率,传输更多的电荷、NOx去除率更高;文中比较了交流电源和脉冲电源激励DBD脱除苯有机污染物的不同效果,发现脉冲电源激励下DBD相对于高频电源激励来说