大气压脉冲介质阻挡放电特性及放电参数效应研究

摘要

随着低温等离子体在各领域的广泛应用，在大气压下通过气体放电产生均匀低温等离子体已成为目前国际上气体放电和等离子体领域的研究热点之一。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge)被认为是产生大气压低温等离子体的一种有效方法并受到人们的广泛关注。以往关于大气压介质阻挡放电的研究，通常采用正弦电压源激励，但随着脉冲功率技术的发展，以重频脉冲电压作为激励源的大气压脉冲介质阻挡放电显示出了其独特的优越性。虽然近些年围绕大气压脉冲介质阻挡放电已经开展了一些工作，但仍存在诸多问题，如一些放电现象还没有得到一致的、合理的解释，放电机理还不是很清楚，关于放电特性与放电条件之间关系的研究还很有限。
　　 为此，本文应用一维流体模型对大气压脉冲介质阻挡放电进行了模拟研究，论文主要包含以下方面的内容及结果:
　　 1、对氦气大气压下脉冲介质阻挡放电电压、电流及各粒子密度等特性参量随时间的演化进行了详细的模拟计算，给出了大气压脉冲介质阻挡放电电压、电流随时间的变化关系以及放电过程中不同时刻离子密度、电子密度以及电场的空间分布，在此基础上对放电演化规律和特征进行了机理分析，得到了如下的结果:对于窄脉冲电压激励的介质阻挡放电，分别发生在外施脉冲电压上升、下降沿的两次放电的演化具有相似性;离子和电子密度的空间分布，在第一次放电过程中仅在瞬时阴极侧出现一个峰，而在第二次放电过程当中在瞬时阴极侧和瞬时阳极侧均会出现一个峰;两次放电发生时平均电子温度空间分布的峰均出现在瞬时阴极侧。
　　 2、系统地研究了外施脉冲电压参数对大气压脉冲介质阻挡放电特性的影响。这些参数包括外施脉冲电压的幅值、上升时间、下降时间、脉冲宽度和频率。当外施脉冲电压幅值增大时，两次放电电流密度峰值增加，气隙内电子密度明显增加，阴极鞘层区减小，鞘层区平均电子温度明显增大。当外施脉冲电压上升、下降时间增加时，各放电参量的变化与脉冲电压幅值减小时的类似，同时能够观察到多脉冲放电现象，且在放电发生时中性等离子体区将逐渐减小并最终消失。此外，当外施脉冲电压宽度或频率改变时，在两次放电中，电子密度和平均电子温度在放电气隙的两侧变化比较明显，在气隙中间区域并未有太大变化。
　　 3、系统地研究了放电结构参数对大气压脉冲介质阻挡放电特性的影响。放电结构参数主要包括:二次电子发射系数，介质板的厚度及其相对介电常数，放电气隙宽度。研究表明，提高二次电子发射系数将会增大放电电流密度幅值，并使放电可以在消耗较小能量的情况下提高时空平均电子密度，且放电发生时，阴极鞘层区减小，电子密度空间分布在瞬时阴极侧的峰值将有所增加，但是阴极鞘层区中的平均电子温度将会降低。当放电气隙宽度增加时，第一次放电电流密度峰值减小，第二次放电电流密度峰值存在最大值，且放电发生时，瞬时阴极侧电子密度空间分布的峰值和阴极鞘层区的平均电子温度将会减小。相对介电常数增加或者减小，两次放电电流密度峰值均增加，放电发生时阴极鞘层区减小，鞘层区平均电子温度增大。
　　 4、模拟研究了大气压脉冲介质阻挡放电中多脉冲放电现象的产生及特性，并系统地分析了放电条件对多脉冲放电特性的影响。外施脉冲电压幅值一定，电压上升率的减小会导致放电电流脉冲个数的增加，且在电压上升率较小时，放电电流脉冲个数随电压上升率的变化明显;各放电电流脉冲密度幅值随电压上升率的变化规律不同;当电压上升率不是很高时，放电发生时离子密度和电子密度空间分布呈现汤生放电粒子分布的特点。电压上升率一定，随着外施脉冲电压幅值的增加，放电电流脉冲个数将会增加，但是对应的每个放电电流脉冲密度幅值变化不大。当外施脉冲电压宽度或者频率增加时，在外施脉冲电压上升沿的最后一个电流脉冲密度幅值降低或者放电电流脉冲个数减小，而在外施脉冲电压下降沿的最后一个电流脉冲密度幅值增加或放电电流脉冲个数增加。减小介质板的相对介电常数或增加它的厚度时，放电电流脉冲密度幅值均减小，放电电流脉冲个数将会增加。
　　 5、研究了氮气掺量对氦气大气压下脉冲介质阻挡放电特性的影响，并对掺入少量氮气杂质时，氦气大气压下脉冲介质阻挡放电和正弦激励介质阻挡放电两种类型放电的特性进行了比较研究。在氦气中掺入少量氮气时，两种类型的放电中，电子产生项随时间的演化有如下异同:放电发生时电子均主要通过直接电离产生，而在放电后期及放电完成后电子则主要通过潘宁电离产生，但直接电离和潘宁电离在两种类型的放电中反应速率有很大差异。对于氦气大气压脉冲介质阻挡放电，随着氮气掺量的增加，时空平均He2+密度逐渐减小，时空平均N2+离子和N4+离子密度存在最大值，并且He2+离子、N2+离子和N4+离子将相继成为放电的主要离子;放电电流密度峰值随氮气掺量增加呈非单调的变化，且在第二次放电中的变化比在第一次放电中的更为复杂。对于不同的外施脉冲电压上升、下降时间，时空平均电子密度、时空平均耗散功率密度及两次放电电流密度峰值随氮气掺量的变化规律基本相同。当氮气掺量大于一定值时，随着氮气掺量的增大，第一次放电电流密度峰值达到最大值时所对应的氮气掺量随外施脉冲电压上升、下降时间的增大而逐渐减小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 气体放电与低温等离子体

1．1．1 低温等离子体性质与应用

1．1．2 低温等离子体的产生

1．2 大气压介质阻挡放电

1．2．1 放电结构

1．2．2 放电模式

1．3 大气压脉冲介质阻挡放电

1．4 放电仿真模型概述

1．4．1 等效电路模型

1．4．2 流体模型

1．4．3 粒子模拟

1．5 论文主要内容安排

第二章 大气压脉冲介质阻挡放电的基本特性

2．1 理论模型

2．2 大气压脉冲介质阻挡放电的性质分析

2．3 本章小结

第三章 外施脉冲电压参数对大气压脉冲介质阻挡放电的影响

3．1 外施脉冲电压幅值对放电特性的影响

3．2 外施脉冲电压脉宽对放电特性的影响

3．3 外施脉冲电压频率对放电特性的影响

3．4 外施脉冲电压上升、下降时间对放电特性的影响

3．5 本章小结

第四章 放电结构参数对大气压脉冲介质阻挡放电的影响

4．1 介质板安放方式对放电特性的影响

4．2 二次电子发射对放电特性的影响

4．3 气隙宽度对放电特性的影响

4．4 相对介电常数对放电特性的影响

4．5 介质板厚度对放电特性的影响

4．6 本章小结

第五章 多脉冲放电形式的研究

5．1 多脉冲放电形式的产生

5．2 电压上升率对多脉冲放电的影响

5．3 外施脉冲电压幅值对多脉冲放电的影响

5．4 外施脉冲电压宽度对多脉冲放电的影响

5．5 外施脉冲电压频率对多脉冲放电的影响

5．6 介质板参数对多脉冲放电的影响

5．7 本章小结

第六章 氮气杂质对氦气大气压脉冲介质阻挡放电的影响

6．1 脉冲电压激励与正弦激励介质阻挡放电比较

6．1．1 放电各参量随时间的演化

6．1．2 电子产生机制

6．2 氮气掺量对脉冲介质阻挡放电性质的影响

6．2．1 氮气掺量对粒子密度及功率的影响

6．2．2 氮气掺量对放电电流密度的影响

6．3 不同外施脉冲电压上升、下降时间条件下氮气掺量对脉冲介质阻挡放电性质的影响

6．4 本章小结

第七章 结论

7．1 主要成果和结论

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加的科研工作