大气压交流正弦电压辅助脉冲放电过程与特性研究.pdf

第4 9卷 第3期2 0 2 3年6月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.3J u n.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 3-0 1 4 9-0 5 D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 6 7 5收稿日期:2 0 2 1-1 2-0 4基金项目:国家自然科学基金(1 1 8 7 5 1 0 4,1 2 0 7 5 0 5 4)通信作者:石建军,男,教授,研究方向为低温等离子体物理及应用,E-m a i l:J S h i d h u.e d u.c n引用格式:金源积,郭颖,韩乾翰,等.大气压交流正弦电压辅助脉冲放电过程与特性研究J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(3):1 4 9-1 5 3.J I N Y J,GUO Y,HAN Q H,e t a l.S t u d y o n t h e d y n a m i c s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f a t m o s p h e r i c p u l s e d d i s c h a r g e a s s i s t e d b y A C s i n u s o i d a l v o l t a g eJ.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(3):1 4 9-1 5 3.大气压交流正弦电压辅助脉冲放电过程与特性研究金源积a,郭 颖a,b,韩乾翰a,石建军a,b(东华大学 a.理学院,b.纺织行业先进等离子体技术与应用重点实验室,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:为研究脉冲电压处于交流正弦电压不同相位时对等离子体射流特性和放电过程的影响,利用双电极耦合介质阻挡放电装置产生大气压脉冲放电等离子体射流,通过放电空间分布在脉冲电压阶段的变化,分析放电图像强度的时间演化和等离子体子弹速度的空间分布,证实了等离子体射流是以等离子体子弹形式在放电空间传播的。研究表明,脉冲电压极性与交流正弦电压极性相同或相反都会对等离子体子弹的产生和传播展现出抑制或加强效果。关键词:介质阻挡放电;脉冲放电;等离子体射流;放电时空演化中图分类号:O 5 3 1 文献标志码:AS t u d y o n t h e d y n a m i c s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f a t m o s p h e r i c p u l s e d d i s c h a r g e a s s i s t e d b y A C s i n u s o i d a l v o l t a g eJ I N Y u a n j ia,G U O Y i n ga,b,HAN Q i a n h a na,SH I J i a n j u na,b(a.C o l l ege o f S c i e n c e,b.T e x t i l e s K ey L a b o r a t o ry f o r A d v a n c e d P l a s m a T e c h n o l og y a n d Ap pl i c a t i o n,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:A n a t m o sph e r i c pr e s s u r e pl a s m a pl u m e ge n e r a t e d by pu l s e d d i s c h a rge w a s pr o d u c e d w i t h a d u a l-e l e c t r o d e c o upl e d d i e l e c t r i c b a r r i e r e l e c t r o d e c o n f igu r a t i o n.T h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d dyn a m i c s o f pl a s m a pl u m e w e r e i n v e s t iga t e d by ap plyi ng pu l s e v o l t age a t d i f f e r e n t ph a s e o f A C s i n u s o i d a l v o l t age.T h e t e mpo r a l e v o l u t i o n o f d i s c h a rge i m age i n t e n s i ty a n d t h e spa t i a l d i s t r i b u t i o n o f pl a s m a b u l l e t v e l o c i ty w e r e s t u d i e d.I t w a s d e m o n s t r a t e d t h e pl a s m a pl u m e w a s a t r a v e l l i ng pl a s m a b u l l e t i n t h e d i s c h a rge r egi m e by t h e d i s c h a rge spa t i a l pr o f i l e w i t h i n t i m e i n t e r v a l o f pu l s e v o l t age.T h e r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e po l a r i ty o f pu l s e v o l t age i s t h e s a m e o r op po s i t e t o t h a t o f A C s i n u s o i d a l v o l t age,t h e ge n e r a t i o n a n d pr opaga t i o n o f pl a s m a b u l l e t i s s up pr e s s e d o r e n h a n c e d,r e spe c t i v e ly.K e y w o r d s:d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a rge;pu l s e d d i s c h a rge;pl a s m a pl u m e;spa t i o-t e mpo r a l e v o l u t i o n o f d i s c h a rge 在交流正弦电压或脉冲电压激励产生的大气压介质阻挡放电(d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e,D B D)过程中形成的非平衡等离子体具有气体温度低、化学活性强、放电稳定性好等特点,已被应用于材料表面东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 处理、生物消毒灭菌和纳米材料制备等领域1-7。大气压等离子体射流的放电形式突破了大气压辉光放电尺寸小的限制,扩展了等离子体的应用领域8-9。在采用交流电压激励产生等离子体射流的情况下,每个周期内在两个电压的上升沿阶段会产生两次放电,放电呈现随放电通道快速传播的等离子体子弹的形式1 0。采用高压脉冲电压激励产生的等离子体射流,同样会在每个脉冲电压的上升沿和下降沿阶段产生两次放电1 1。文献1 2-1 6 研究发现,等离子体射流的长度及等离子体子弹的速度和强度等指标均受到脉冲电压特性的影响,包括脉冲电压的重复频率、电压幅值、脉冲时间宽度以及上升沿和下降沿的时间等。脉冲电压的上升沿和下降沿时间都在亚微秒量级,较交流正弦电压的上升沿时间(几十微秒)要短得多1 7。脉冲电压激励的等离子体射流在时序上可以有效控制等离子体子弹的产生时刻,但其对脉冲电压的幅值以及电压上升和下降特性都提出了更高的要求。耦合不同放电激励源对产生及调控等离子体射流以及提高其特性都具有重要研究意义1 8-1 9。本文通过耦合脉冲电压和交流正弦电压激励产生等离子体射流,并研究脉冲电压与交流电压的时序关系对等离子体放电特性和机理的影响。1 试验装置 大气压脉冲与交流耦合介质阻挡放电试验装置如图1所示,装置由缠绕在石英管表面的3个宽度为5mm的铜电极组成,石英管的内径和外径分别为2和4 mm。图1 放电试验装置示意图F i g.1 S c h e m a t i c o f t h e d i s c h a r g e e x p e r i m e n t a l s y s t e m图1中左侧电极接脉冲电源,中间电极接地,右侧电极接交流电源,3个电极之间的距离分别为3 0和2 0 mm。将纯度为9 9.9 9%的氦气自石英管左侧通入试验装置,气体流量为2.5 L/m i n。利用信号发生器(T e k t r o n i x A F G 3 1 0 2型)产生重复频率为5 k H z的同步脉冲信号和交流信号,分别触发高压脉冲电源(HV P-2 0型)与交流电源(MO D E L 2 0/2 0 C型),分别通过电压探头(T e k t r o n i x P 6 0 1 5 A型)和电流探头(P e a r s o n 2 8 7 7型)测量电压波形和电流波形在数字示波器(T e k t r o n i x T D E 3 0 3 4 C型)显示和保存相关数据。等离子体放电图像由增强电荷耦合器件(I C C D)相机(A n d o r i-S t a r DH 7 3 4型)拍摄,相机的拍摄时刻通过同步脉冲信号触发。典型的等离子体放电图像如图2所示,放电分别在脉冲电极与接地电极和交流电极与接地之间产生。图2 典型等离子体图像F i g.2 T y p i c a l p l a s m a i m a g e2 结果与讨论 脉冲电压和交流正弦电压波形如图3所示。图3 脉冲电压与交流正弦电压波形图F i g.3 W a v e f o r m s o f p u l s e d v o l t a g e a n d A C s i n u s o i d a l v o l t a g e051 第3期金源积,等:大气压交流正弦电压辅助脉冲放电过程与特性研究由图3可知,脉冲电压幅值为6 0 0 0 V,交流正弦电压幅值为4 5 0 V,脉冲电压和交流正弦电压的频率都为5 k H z。交流电压的周期(T)为2 0 0 s,在固定交流正弦电压的情况下,使脉冲电压产生的时刻分别为5 0、1 0 0和1 5 0 s,分别对应于交流正弦电压波形的正幅值(1/4 T),零电压(1/2 T)和负幅值(3/4 T)。当脉冲电压在5 0 s产生时,脉冲电压和交流正弦电压具有相同的极性,两者之间的电势差为整个周期中的最小值;当脉冲电压在1 0 0 s产生时,交流正弦电压对脉冲电压的影响可以忽略;当脉冲电压在1 5 0 s产生时,脉冲电压和交流正弦电压具有相反的极性,两者之间的电势差为整个周期中的最大值。在脉冲电压产生时刻,交流正弦电压也相应地上升,这主要是由耦合放电电极之间的相互影响导致的。交流正弦电压幅值为4 5 0 V,明显低于气体击穿电压,因此,利用交流正弦电压的不同极性研究其对脉冲放电的影响效果时,放电主要在脉冲电极和接地电极间产生。典型脉冲电