常壓介質(zhì)阻擋放電控制技術及應用研究.pdf

1、常壓非平衡等離子體因為是不需要真空環(huán)境就能產(chǎn)生的可控低溫高密度等離子體，所以無論是在材料處理、生物醫(yī)學領域，還是廢氣污水處理等，都表現(xiàn)出環(huán)保和經(jīng)濟的優(yōu)勢，因此最近成為了低溫等離子體方面的研究熱點之一。目前在常壓下通過氣體放電產(chǎn)生非平衡等離子體的最常用方法為介質(zhì)阻擋放電。其中介質(zhì)阻擋放電不需要苛刻的控制條件，其激發(fā)頻率可以由幾赫茲到幾十兆赫茲，能比較容易產(chǎn)生低溫等離子體。雖然許多學者做了大量常壓介質(zhì)阻擋放電的實驗和模擬研究，但是由于等離子

2、體診斷手段比較有限，對放電的動力學演化過程和放電空間的擊穿和熄滅機理缺乏深入的認識，這也導致了很多常壓介質(zhì)阻擋放電的工業(yè)應用問題不能得到解釋和解決。
　　 本文系統(tǒng)地對常壓介質(zhì)阻擋放電機理及控制技術進行研究。首先設計和建立起針-板放電電極結(jié)構(gòu)的等離子體系統(tǒng)來研究常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的動力學過程。通過光學和電學診斷，研究常壓氦氣條件下，利用信號發(fā)生器輸出20 kHz的激發(fā)頻率。電流電壓波形上發(fā)現(xiàn)等離子體放電主要發(fā)生在正弦電壓的

3、正半周期，利用ICCD捕捉的納秒級曝光圖像可以看出，首先是在針尖和平板電極之間擊穿，產(chǎn)生一條直徑為2 mm的流注，隨后流注消失，在平板電極覆蓋的介質(zhì)表面擴張傳播，形成等離子體圓環(huán)。該等離子體圓環(huán)最大擴張直徑為25 mm半徑，擴張速度達到超音速(3.0 km/s)。據(jù)此推斷，電子擴散形成的電離波陣面是介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牡入x子體圓環(huán)形成機理。
　　 為了研究放電空間的擊穿熄滅機理以及介質(zhì)層在該過程中的作用，本文利用常壓氦氣脈沖平行板放電

4、，分別對介質(zhì)阻擋和裸露電極放電開展了對比研究。利用時間分辨圖像和電學診斷對放電進行了表征，結(jié)果表明介質(zhì)阻擋和裸露電極放電是兩種完全不同的放電機理。介質(zhì)阻擋情況下，會在電壓上升沿和下降沿分別形成放電，第一次放電的發(fā)生時刻和強度依賴于脈沖電壓的大小，當電壓從1.5 kV增加到了3.4 kV時，第一次放電電流峰值從1.5A分別增加到了3.3A，然而當電壓不夠高（低于2 kV）時，預電離過程在擊穿過程中扮演著重要的角色。當電壓處于下降沿時候，介

5、質(zhì)表面的電荷形成的電場觸發(fā)了第二次放電。同時由于離子遷移和在介質(zhì)層表面的擴散效應，當脈寬達到600ns時，第二次放電會達到電流峰最大值。然而，裸露電極放電，其電流沒有反向電場的制約，必須依靠電壓下降避免轉(zhuǎn)變成弧光放電，但是大小不能低于常壓氦氣的擊穿閾值。
　　 最后本文通過常壓脈沖介質(zhì)阻擋放電對PET材料表面進行改性，利用接觸角測量和等離子體發(fā)射光譜等方法分析了表面發(fā)生的物理化學過程。2.25 kV、400 ns脈寬的等離子體放