氦气和sshr对hdbd放电特性的影响

氦气和sshr对hdbd放电特性的影响

0压缩压hdbd放电特性的研究由于压力均匀介质的泄漏，无论尚光的真空设备是多少，均衡态低温平等的离子都可以通过压力均匀、功率密度合适的单元。因此，在材料表面的改性、消毒、环境保护、离心分离器等工业领域都具有广阔的应用前景。惰性气体中介质阻挡放电(DBD)更容易在大气压条件下实现均匀放电,国内外研究者已在多种气体中产生的大气压HDBD的理论模拟和实验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等对大气压氦气和氮气HDBD进行了实验和仿真研究,结果表明大气压HDBD有类似于低压辉光放电的结构,氦气中放电为大气压辉光放电,氮气中放电电离水平低,为汤森放电。Trunce等实验研究了大气压氖气HDBD的放电特性,结果表明氖气HDBD的放电机理和类似于氦气中HDBD。此外,Radu等采用圆柱-平板结构对大气压惰性气体中HDBD进行了实验研究。Golubovskii等对氦气和氮气中多脉冲HDBD及介质表面电荷对放电的影响等方面进行了仿真研究。王艳辉等仿真研究了大气压氦气HDBD的物理机理。郝艳捧等实验研究了大气压氦气多脉冲辉光放电的模式和机理,认为大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷和外加电压共同演化的结果。这些实验和仿真研究大多是针对某种气体中放电模式和特性,对于不同气体中DBD放电模式转换和放电特性的比较较少涉及,而比较研究不同气体中DBD的放电特性和机理,对于深入理解大气压均匀放电机理以及促进其工业应用具有重要意义。本文实验研究了大气压氦气和氖气DBD的放电特性,确定了这两种气体中放电模式的转变规律,比较了两种气体中HDBD的电气特性和发光图像特点,并进一步通过计算分析不同外加电压幅值下两种气体中HDBD主要放电参量的变化规律,结合放电机理分析对实验结果进行了讨论。1实验装置及放电参数图1给出了本文研究所采用的DBD实验装置。电源采用幅值在0~20kV范围内、频率在5~20kHz范围内可调的高频交流电源。所采用的DBD电极结构如图2所示,上下电极采用直径为50mm的圆形平板铝电极,两个直径为90mm,厚度为2mm的石英玻璃分别作为阻挡介质,气隙距离为8mm。将上下阻挡介质间沿外圆周密封,从而形成一个密闭的反应器。其中上层阻挡介质左右两侧各开有一小孔,并接上两个玻璃管,分别作为进气口和出气口。实验气体为高纯度(体积分数φB=99.9%)氦气和氖气,实验时通过调节气体流量计控制气体流速,气体经进气管由进气口通入反应器中。放电电压由TekP6015高压探头(带宽为75MHz,分压比为1000)测量,放电电流由一个串联在放电回路中阻值为50Ω的无感电阻测得。放电空间传输的电荷通过在放电回路上串联一个22nF的测量电容器C0获得,放电Lissajous图形通过把高压探头测得的反应器上的电压和C0两端的电压分别加在示波器的X-Y轴得到。实验时测得的电压、电流波形及Lissajous图形由TDS-3054c数字示波器记录,示波器的带宽为500MHz,采样频率5GHz。放电图像用置于放电空间侧面与放电气隙成45°的数码相机Canon500D拍摄得到,拍摄时相机的曝光时间为设置为0.25ms。2比较负载性能2.1dbd的电流特性实验时,固定电源频率为10kHz,气体体积流量为3L/min,逐渐增大电源电压幅值,通过测量得到的电压电流波形和发光图像来判断放电是否为均匀放电。在此条件下实验发现,在一定电压幅值范围内,这2种气体中DBD均可表现为均匀放电模式,氦气中产生均匀放电的电压幅值范围为1.2~7kV;氖气中产生均匀放电的电压幅值范围为0.8~5kV。图3给出了外加电压幅值为2.5kV时测得的氦气和氖气中HDBD的电压电流波形、Lissajous图形以及对应的发光图像。从图3可见,电压每半个周期内,氦气HDBD有1个电流脉冲,脉冲幅值为0.5mA,持续时间6μs;对应的Lissajous图形中放电阶段有1次电荷曲线性阶跃。氖气HDBD有2个电流脉冲,脉冲幅值为0.24mA,第1个电流脉冲持续时间8μs,对应的Lissajous图形中放电阶段有2次电荷曲线性阶跃。由图3(c)可以看出,2种气体中DBD均为均匀弥散模式,无放电细丝出现,氦气HDBD发光呈淡紫色,氖气HDBD呈橘红色。在产生HDBD的电压幅值外,放电表现为丝状模式。图4给出了外加电压幅值为14kV时氦气和氖气非均匀模式DBD的电压电流波形、Lissajous图形以及对应的发光图像。从图中可以看出,电压每半个周期的放电起始阶段,氦气非均匀DBD有1个幅值较大的电流脉冲,脉冲幅值为1.4mA,随后出现许多个幅值较小,持续时间短的电流脉冲;对应的Lissajous图形中放电阶段有一次电荷曲线形阶跃,随后近似为直线。氖气非均匀DBD有许多个持续时间短的电流脉冲,且电流幅值比氦气非均匀DBD大;对应的Lissajous图形中的放电阶段近似呈直线。由图4(c)可以看出,外加电压幅值为14kV时,放电强烈,相比于图3(c),发光强度增强,放电表现为丝状模式,在均匀的发光背景下叠加了一些发光强度较强的若干微放电细丝。2.2附加电压幅值为了研究电压幅值对放电特性的影响,固定电源频率10kHz,气体体积流量3L/min,改变外加电压幅值在2~5kV范围内变化。图5和图6分别给出了不同外加电压幅值下氦气HDBD的发光图像的电压电流波形。从图中可以看出,放电均呈现为均匀放电模式,放电弥散、均匀地覆盖到整个电极表面。随着电压幅值的增大,放电逐渐变强烈,发光强度逐渐变大,由暗紫色变为紫色。外加电压幅值由2kV增加到5kV时,电流脉冲的幅值由0.45mA增加到0.75mA;当电压幅值增大到3kV时,首个电流脉冲结束2μs之后,又出现一个幅值较小的二次电流脉冲,其幅值为0.1mA,称为“剩余电流峰”。二次电流脉冲的幅值随外加电压幅值的增加而增加,外加电压幅值增大到5kV时,二次电流脉冲幅值增大到0.2mA。另外,在电压的每半个周期,随外加电压幅值增加,放电电流脉冲出现的时刻提前,当电压幅值达到4kV时,放电发生在电压极性反向之前。在8mm的实验条件下,随电压幅值增加,未发现如其他研究者报道的氦气中多脉冲HDBD现象,放电直接由均匀模式放电过渡到丝状模式放电。固定电源频率为10kHz,气体流量为3L/min,外加电压幅值在1.5~4kV范围内变化。图7和图8分别给出了不同外加电压幅值下氖气HDBD的发光图像和电压电流波形。可以看出,氖气HDBD的发光呈橘红色,发光强度在放电空间均匀分布,随着外加电压幅值的增大,发光强度逐渐变大,亮度增强,但仍为均匀放电。氖气中HDBD特性和相同实验条件下氦气HDBD特性有很大的不同,其电流脉冲幅值较小,且在外加电压幅增大的过程中放电由单电流脉冲放电发展到多电流脉冲放电。外加电压幅值1.5kV时,放电表现为单脉冲HDBD,当外加电压幅值为2kV时,电压每半个周期出现2个电流脉冲,外加电压幅值增大到4kV时,电压每半个周期出现4个电流脉冲,且多脉冲电流的幅值依次递减,外加电压幅值由1.5kV增加到4kV时,电流脉冲的幅值由0.2mA增加到0.36mA。3hdbd放电参量演化的规律根据均匀DBD的等效电气模型,利用测量得到的放电电压电流波形,可以计算得到一些主要的放电参量,它们的计算公式为: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)为外加电压;It(t)为回路总电流;Ig(t)为放电电流;Ug(t)为气隙电压;Ud(t)为介质两端电压;Cg为气隙等效电容;Cd为介质等效电容;T为电源周期。此外,除上述放电参量外,根据测量得到的放电Lissajous图形还可以计算得到放电功率P和传输电荷量Q等其他重要放电参量。利用如上方法分别计算了氦气和氖气中HDBD放电参量的演化规律,图9和10分别给出了根据图3测量得到的电压电流波形计算得到的氦气和氖气HDBD的Ut、Ug、Ud和Ig的变化规律。对比图3(a)中的电压电流波形可以发现,在相同外加电压幅值下,氦气HDBD的Ig(t)为单电流脉冲,脉冲幅值为0.5mA,大于氖气HDBD的0.18mA。氦气HDBD的Ug为1.85kV,小于氖气HDBD的2kV。如图9所示,在电压的每半个周期,Ug随着外加电压的增大而增大,当达到击穿电压时,放电发生,在放电电流脉冲持续过程中,Ug下降,介质表面聚积电荷导致Ud增大,当放电结束之后,Ug继续增大,Ud略有减小。如图10所示,对于氖气HDBD,在第1次电流脉冲结束之后,Ug继续增加,再一次达到击穿电压,放电再一次发生,此时Ud继续增加直至放电结束。图11、12分别给出了根据公式(1)~(3)计算得到的主要放电参量随Ut变化的曲线。图13给出了根据Lissajous计算得到的P和Q随Ut变化的曲线。由图11可以看出,随着外加电压幅值的增大,两种气体中HDBD的Ud和Ug都非线性增大。且氦气HDBD的Ug增加幅度较大,氖气HDBD的Ud增加幅度较大。在外加电压幅值<3kV时,氖气HDBD的Ug大于氦气HDBD的Ug;在外加电压幅值>3kV时,氖气HDBD的Ud大于氦气HDBD的Ud。由图12可以看出,随着外加电压幅值的增大,两种气体中HDBD的Ig均显著增加,Id略微增加。当电压幅值<3kV时,氦气HDBD每半个电压周期内仅有1个电流脉冲,且随着电压幅值的增大,放电电流幅值增加幅度较大。当电压幅值>3kV时,氖气DBD每半个电压周期内有多个电流脉冲,且电流幅值随外加电压增大的幅度较大。由图13可以看出,两种气体中HDBD的放电功率和传输电荷均随外加电压的增加而增加,相同条件下,氦气HDBD的放电功率大于氖气HDBD,但是当外加电压>1.5kV时,氖气HDBD传输电荷量小于氖气HDBD。外加电压幅值为5kV时,氦气HDBD的放电功率和传输电荷分别为54.6mW和11nC,氖气HDBD分别为36.3mW和13.2nC。4多电流脉冲均匀放电形成原因分析DBD是否为均匀放电可以通过测量得到的电压-电流波形和发光图像结合来判断,表现为在外加电压每半个周期内仅出现一个持续时间为μs量级的电流脉冲,放电空间无细丝出现。近年来也有报道称在外加电压的每半个周期出现多个持续时间为μs量级的电流脉冲的DBD为多脉冲均匀放电。由图3、图6和图8所示的电压电流波形和发光图像,可以判定本文实验条件下两种气体中DBD均为均匀放电。其中氖气中均匀DBD为多脉冲HDBD,而氦气中均匀DBD为单脉冲HDBD。产生均匀DBD的条件主要受外加电压幅值影响,本文实验条件下对氦和氖气分别在外加电压幅值>7kV和>5kV时呈现丝状放电。两种形式丝状DBD均与HDBD放电特性有明显区别,丝状DBD在外加电压每半个周期内出现许多个持续时间为ns量级的电流脉冲。氦气和氖气中DBD会在每半周期放电结束后产生大量的亚稳态粒子,亚稳态的寿命较长,可以在下一次放电之前通过潘宁电离提供一定浓度的均匀分布的种子电子,种子电子的存在降低了击穿场强,使得电子雪崩在发展过程中更容易合并而不至于发展成电离通道,形成径向均匀分布的电场从而形成均匀放电。但随着外加电压幅值的不断增大,气体电离程度增大,电子频繁碰撞获得更多的能量,放电产生的热量增多,从而使得放电变的不稳定,最终过渡到丝状放电。对于多电流脉冲均匀放电形成原因,目前已有多种解释,王德真通过数值模拟氦气中多电流脉冲放电,认为多电流脉冲的形成是由于介质表面积累的电荷造成的。Mangolini实验研究了氦气中多脉冲DBD,认为多电流脉冲的形成是由于不均匀电场引起的不均匀电荷分布造成的。Golubovskii认为多电流脉冲的形成是阳极附近的离子产生和阴极2次电子发射之间的时间延迟造成的。由图10可看出,在本文的实验条件下,氖气DBD电压每半个周期内,气隙电压Ug随着外加电压的增大而增大,当达到击穿电压时,放电发生,在放电电流脉冲持续过程中,介质表面聚积电荷形成反向电场,抑制放电。第1次放电结束后,随着Ug增大,当再次达到击穿电压时,引起了下一次击穿,从而形成了多电流脉冲。而从图9中可以看出,氦气中HDBD第1次电流脉冲结束后,Ug也会继续增加,但未能引起进一步击穿。这可能是因为氦气中第1次放电时介质表面聚积电荷更多,形成反向电场的作用更强,因而对放电的抑制作用更强的缘故。由于实验条件的限制,没能得到分时的放电照片,因此对本实验中氦气中单脉冲产生及氖气中多电流脉冲产生的原因无法进行更为详细的分析。虽然在氦气和氖气中均能产生HDBD,但是氦气和氖气HDBD的放电特性明显不同,如图6和图8所示。首先,外加电压<3kV时,氦气HDBD电流脉冲要比氖气中HDBD电流脉冲持续时间短,这是由于相同电压幅值下,氦气中HDBD电流幅值大,相同时间内在介质表面积聚的电荷较多,介质电压Ud较大从而使放电熄灭,因此放电时间较短。其次,外加电压幅值>3kV时,氦气HDBD电流特性表现为单电流脉冲和“剩余电流峰”的出现,这是由于放电结束之后,一些电子被捕获在放电空间内,在外加电场的作用下向阳极移动,从而形成微弱的电流,其幅值的大小主要取决于放电空间内电子的数目,随着外加电压幅值的增大,放电结束后被捕获在放电空间的电子数目增多,因此“剩余电流峰”的幅值逐渐增大。而氖气HDBD电流特性则表现为幅值依次递减的多电流脉冲序列,在多电流脉冲序列的后期,由于介质表面不断聚积的电荷减弱了气隙间的电场,抑制放电,使得放电电流脉冲的幅值依次减小。由式(1)可知,Ud的大小和介质表面聚积电荷的多少有关,因此,在外加电压<3kV时,氦气HDBD的电流幅值相比于氖气HDBD的大,在介质表面聚积的电荷较多,因此其Ud大于氖气HDBD的Ud;当外加电压>