平行磁场对大气压纳秒脉冲放电等离子体影响的实验研究

摘要

大气压放电由于不需要真空系统，运行成本低，特别是以开放空气作为工作气体的大气压放电一直都是等离子体科学与技术研究领域的热点问题。介质阻挡放电是一种常见的在大气压空气中产生冷等离子体的放电方式，通常介质阻挡放电由传统交流高压驱动。最近，由于纳秒脉冲具有陡峭的上升沿与较短的脉冲持续时间，人们发现纳秒脉冲放电具有放电均匀性更好、电子温度更高、气体温度更低、化学活性粒子种类更多等优异的特性，在生物医学、航空航天、材料改性、能源化工以及环境治理等领域具有十分广泛的应用前景。但是，由于介质表面积累的表面电荷，介质阻挡放电是一种“自熄灭”放电。而且大气压空气中最常见的介质阻挡放电模式为丝状放电模式，然而在某些应用领域均匀放电比丝状放电更具优势。因此基于大气压冷等离子体广阔的应用背景，人们希望在大气压空气中获得强度更大、均匀性更高的介质阻挡放电等离子体。研究人员发现在大气压下，外加磁场能够在增加放电强度的同时也改善放电均匀性。但是目前关于磁场对大气压介质阻挡放电特性影响的研究不多，并且主要集中于研究垂直磁场（磁场方向与电场方向垂直）对放电的影响，而平行磁场（磁场方向与电场方向垂直）对放电影响受到的关注还非常少。本文通过采用纳秒脉冲高压驱动平板型介质阻挡放电结构产生大气压空气放电等离子体，并且通过电学与光学诊断手段，研究了永久磁铁产生的平行磁场对放电特性的影响。本文开展了以下的研究工作:
　　1.研究了平行磁场对大气压空气中双极性纳秒脉冲介质阻挡放电的影响，发现平行磁场通过磁化放电等离子体中的电子，从而导致放电特性的改变。双极性纳秒脉冲驱动下，在电压上升沿发生主放电，而在电压下降沿发生二次与三次放电。研究发现平行磁场能够增加主放电与三次放电强度，并且对三次放电增加效果更显著，但是平行磁场对二次放电强度几乎没有影响。放电照片表明平行磁场能够改善放电均匀性。电极边界处的微放电通道沿着弯曲的磁感线发展，并且放电通道数目增加。随着纳秒脉冲重复频率减少，由丝状放电状态转变为丝通道与弥散背景叠加的放电状态。并且，有磁场条件下放电的均匀弥散背景强度提高。ICCD照片表明有磁场条件下弥散背景的增强对应于三次放电强度的增大，进一步可以得到放电丝通道数目的增加对应于主放电强度的增大。平行磁场束缚放电丝通道内的电子，降低雪崩头部电子的耗散，导致放电丝通道数目增加，放电均匀性改善。平行磁场束缚介质表面电子的横向扩展，降低表面电子的耗散，从而加强三次放电。主放电与二次放电间隔时间短，表面电子横向扩展有限，因此平行磁场对表面电子的约束效应不明显。
　　2.通过在放电回路并联水电阻改变输出波形极性，比较了双极性与单极性纳秒脉冲放电特性。单极性纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电，只在脉冲上升沿发生放电，因此主放电遗留的剩余电荷没有在反向放电中消耗。分析剩余电荷寿命后，发现单极性纳秒脉冲驱动下，在下一次脉冲放电发生时的剩余电荷密度更高。实验结果表明与双极性纳秒脉冲放电相比，单极性纳秒脉冲放电强度略微增加，放电均匀性明显改善。分析认为两方面原因导致单极性纳秒脉冲放电均匀性的改善。一个原因是下一次脉冲放电发生时，放电空间更靠近阴极的区域存在“虚拟阳极”，相当于放电起始于更小间隙间的均匀击穿。另一个原因是单极性纳秒脉冲放电预击穿阶段阴极附近的“增强电场”强度更大，导致阴极附近二次电子的电离过程加强，放电阶段的雪崩启动电子密度增加。随着脉冲重复频率的降低，单极性纳秒脉冲放电由丝状放电状态转变为准均匀放电状态。通过分析不同脉冲重复频率放电的记忆效应，排除了气体温度与氮分子亚稳态的作用后，认为放电空间中不均匀分布的空间电荷是放电状态改变的原因。脉冲重复频率低，脉冲间隔时间长，空间电荷通过充分扩散而实现更均匀的空间分布，从而下一次脉冲放电均匀性改善。
　　3.研究了平行磁场对大气压空气中单极性纳秒脉冲放电的影响，发现与双极性纳秒脉冲放电相比，平行磁场对单极性纳秒脉冲放电影响更显著。实验结果表明平行磁场明显增加单极性纳秒脉冲放电强度，同时也明显改善放电均匀性。有磁场条件下放电均匀性改善，一方面是由于放电通道数目的增加，另一方面是由于放电预击穿阶段以及击穿阶段的雪崩启动电子密度增加。采用时间—空间平均发射光谱的谱线强度比技术，发现平行磁场增加放电等离子体的平均电子密度，同时提高了电子温度。由于平行磁场对雪崩头部高能电子的约束效应更强，明显降低高能电子耗散过程，而平行磁场可能不改变低能电子耗散，导致有磁场条件下高能电子比例升高，最终等离子体电子温度升高。有磁场条件下平均电子密度增加与电子温度升高的现象吻合。平行磁场对不同脉冲重复频率的平均电子密度增加程度相同，而电子温度增加程度随着脉冲重复频率的增加而增大。由于较高脉冲重复频率下单根微放电强度更大，电子雪崩横向扩展程度更大，因此平行磁场约束效应更明显，导致较高脉冲重复频率下电子温度增加程度更大。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1 气体放电击穿理论

1．2 介质阻挡放电原理与弥散放电的产生

1．3 大气压纳秒脉冲介质阻挡放电

1．3．1 纳秒脉冲介质阻挡放电特点

1．3．2 纳秒脉冲介质阻挡放电影响因素

1．3．3 纳秒脉冲驱动下均匀放电的产生

1．4 磁场对大气压放电等离子体影响的研究

1．4．1 垂直磁场对大气压放电等离子体的影响

1．4．2 平行磁场对大气压放电等离子体的影响

1．5 本文研究目的及内容安排

2平行磁场对双极性纳秒脉冲介质阻挡放电的影响

2．1 引言

2．2 实验装置及诊断系统

2．3 结果与讨论

2．3．1 固定脉冲重复频率时平行磁场对放电的影响

2．3．2 不同脉冲重复频率下平行磁场对放电的影响

2．4 本章小结

3剩余电荷对纳秒脉冲介质阻挡放电特性的影响

3．1 引言

3．2 实验装置及诊断系统

3．3 结果与讨论

3．3．1 固定脉冲重复频率时放电特性的比较

3．3．2 不同脉冲重复频率下放电特性的比较

3．4 本章小结

4平行磁场对单极性纳秒脉冲介质阻挡放电的影响

4．1 引言

4．2 实验装置及诊断系统

4．3 结果与讨论

4．3．1 固定脉冲重复频率时平行磁场对放电的影响

4．3．2 不同脉冲重复频率下平行磁场对放电的影响

4．4 本章小结

5结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介