大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.

平板型与同轴型等离子体发生器射频大气压辉光放电特性分析

为了深入理解不同的等离子体发生器几何结构对其放电特性的影响规律,采用一维流体模型对平板型和同轴型两种不同结构等离子体发生器的放电特性进行了数值模拟研究,并对放电图像采用可见光图像处理技术进行了分析。数值模拟结果表明,平板型等离子体发生器所产生的等离子体主要参数(如电子温度和活性粒子浓度等)关于两电极中间平面对称,而同轴型等离子体发生器所产生的等离子体主要参数则呈现出非对称的分布规律,这与放电图像灰度值的空间分布规律定性一致。通过对等离子体中化学反应动力学过程的分析可知,不同结构发生器所对应的等离子体主要参数的空间分布规律依赖于不同电极结构所导致的放电区电场强度的空间分布。

大气压短间隙Ar介质阻挡辉光放电的模拟分析

为了分析短间隙Ar介质阻挡放电(DBD)大气压辉光放电(APGD)的放电机理,建立了一维自洽流体模型,采用有限元法进行计算。得到了气体间隙压降、放电电流密度以及介质表面电荷的演化波形,及放电电流密度峰值时粒子和电场的分布。结果表明,该APGD为容性放电,每半个周期内发生一次击穿放电;表面电荷有着抑制当前放电,降低下一次放电起始电压的作用;依据场强与粒子分布可将放电空间分为阴极位降区、负辉区、正柱区及阳极辉光区,说明该放电为典型的辉光放电。在此基础上分析了材料介电常数ε对放电的影响,表明随着ε的增大,放电电流与表面电荷的幅值也相应增大,击穿时间略有提前。

大气压射频辉光放电阻抗特性的实验研究

为研究大气压射频辉光放电过程中不同工作气体(氦气和氩气)对发生器等效阻抗的影响,基于等离子体的介电特性,建立了描述等离子体区域的"电阻-电容混联"等效电路模型;通过实验测量放电电压及电流,并基于等效电路模型来计算等离子体在放电过程中的电子数密度,从而得到等离子体发生器的等效阻抗。实验测量了大气压射频辉光放电的放电电压及电流,并基于等效电路模型得到了等离子体发生器的等效阻抗及放电区的电子数密度。实验结果表明:对氦气和氩气放电,在α放电模式下其电阻及电抗的绝对值均随着放电电流的增加而减小,而电子数密度则随放电电流的增大而线性增加;且在相同的放电电流条件下,氩等离子体的电阻和电容都比氦等离子体高。研究结论可作为等离子体在不同工作气体条件下放电阻抗匹配研究的参考。

低气压直流辉光放电数值模拟与实验研究

为进一步探究低气压直流辉光放电机理,建立了基于局部平衡假设的2维直流辉光放电模型,研究了正常辉光向异常辉光放电的转变过程及其放电特性,并将异常辉光放电数值模拟结果与实验结果进行对比分析。结果表明,正常辉光放电时,在放电电压小幅增大的情况下,放电区域的扩大使放电电流增大,阴极位降区厚度减小,并出现明显的负辉光区。进一步增大放电电压,放电将覆盖整个阴极表面,可以明显区分出阴极位降区、负辉光区和正柱区,此时放电转变为异常辉光放电;放电电压为400 V时的阴极位降区电场强度高达3 200 V/cm。异常辉光放电、气压不变时,增大放电电压不会改变放电结构,但负辉光区的电子数密度增大使电流增大、放电增强;放电电压为400 V且气压在50-420 Pa之间时,放电电流将随气压的升高而增大。

大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的光学演化过程

为研究大气压介质阻挡多脉冲辉光放电的模式转化规律及其放电机理,在6mm氦气中进行了3脉冲辉光放电试验,测量了相应的电气参数,并利用增强型电子耦合器件(intensified charge-coupled device,ICCD)拍摄了放电间隙侧面的短时曝光图像,提取放电图像的灰度值并绘制出光强在气隙间的分布曲线,按放电图像特征将放电分成不同阶段,系统研究了各个阶段的放电模式及其转化规律,并探讨了放电的机理。结果表明:放电起始阶段具有汤森放电的阳极发光结构;空间电荷的作用使得放电从开始的汤森放电转化为具有完整的正柱区、法拉第暗区和负辉区的辉光放电;放电电流脉冲之间微弱的发光特性仍具有辉光放电结构,有力证明了放电并未熄灭,而是维持着较弱的辉光放电。

大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术的研究进展及应用

近十多年来,大气压电解液阴极辉光放电系统在原子光谱分析中作为一种新兴的检测工具而备受关注。大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术兼具了光谱测量的稳定性、分析元素选择性和传感器测量方便、简洁性等优点。本文综述了基于等离子体的大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术的机理研究、仪器构建及改进和最新应用研究,并总结了该技术的优势及存在的问题,展望了其应用前景。

常压辉光放电及其在薄膜表面处理中的应用

常压辉光放电 (APGD)是具有较高电子能量的非平衡等离子体 ,比低压辉光放电更易于实现工业化应用。比较了几种获得常压辉光放电的实验方案 ,基于对常压辉光放电等离子体基本物化特性的深入了解 ,探讨了各种等离子体气氛对于绝缘介质薄膜电气及化学特性的作用 (比如憎水性、表面位能等 ) ,并将之用于绝缘介质薄膜的表面处理中 ,对于薄膜性质的改善起到了较好的作用 。

辉光放电光谱仪用高稳定度高压恒流源的研制

直流辉光放电等离子体激发光源工作时需要0.5～1.5 kV的高电压以及5～100 mA恒定可控的电流。放电电流的稳定性对辉光放电光源的稳定工作至关重要,为此,研制了一种用于辉光放电光谱仪的高稳定度高压恒流源。该恒流源用于驱动Grimm型辉光放电光源对样品进行溅射和光谱激发,恒流源采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和高精度低漂移运算放大器,结合电路图介绍了其工作原理及过压、过流、过热保护措施。经实验验证,恒流源输出开路电压为1.1 kV,输出电流为0～100 mA连续可调,该恒流源的输出电流稳定性高,保证了辉光放电光谱仪样品成分分析的精密度,其负载调整率和输入电压调整率均<0.05%;此恒流源驱动Grimm型辉光放电等离子体激发光源对金属样品溅射效果良好,给出了溅射坑表面形貌图以及显微照片、溅射速率。对GBSA6800x不锈钢标样中的Cr、Cu、Al、W元素测试结果相对标准偏差(RSD)<2.5%。

低气压He/N_2混合气体的辉光放电数值模拟

针对低气压下含有少量氮气杂质(体积分数为10^(–6)~10^(–4))的氦气辉光放电特性进行研究,通过建立相应的二维流体模型,利用COMSOL有限元法数值求解了基本物理方程,得到了放电气隙击穿电压以及内部物理参量的空间分布,分析讨论了氮气杂质的含量对低气压下氦气辉光放电的影响。研究结果表明:随着杂质含量的升高,由于氮分子和氦亚稳态原子的彭宁电离过程降低了击穿电压,因此气隙维持电压降低,回路电流升高。并且由于彭宁电离为放电提供了较多电子,导致电子数密度升高、电场强度降低、电子温度降低。

大气压下的辉光放电

综述了大气压下辉光放电的研究现状 ,介绍了产生大气压下辉光放电可能的途径 ,分析了现存的问题 。

DBD中的离子运动与电源频率

在常压下进行介质阻挡放电(DBD)必须选择适当的电源频率,适当的电源频率将有利于均匀辉光放电的产生。为了实现常压下的均匀辉光放电,以正弦交流电源为例,探索有利于均匀辉光放电的电源频率。从理论上对介质阻挡放电的放电气隙上的电压变化进行了系统分析,完整地讨论了放电过程中气隙上的电压波形变化以及各波形阶段对应的时间,并进一步确定了放电离子在不同波形阶段的运动情况。在此基础上,根据大气压下有利于均匀辉光放电的放电条件,最终推算出有利于均匀辉光放电的最小电源频率。这一推算结果给出了利用不同成分的气体进行介质阻挡放电时有利于均匀辉光放电的电源频率的最小值,它是介质阻挡放电中的重要参量。

氢气放电源和X光机X射线源打靶谱的研究

用氢气放电源打靶的方法,测到了系列的谱线.为了鉴别这些谱线,进行了X光机X射线源打靶实验和两种源打靶的对比实验.实验结果表明:在X光机X射线源打靶谱中,除靶材料的特征X射线和两条源谱线外,还存在两种谱线:一种是能量变化的谱线,根据不同衍射角θ和测量角φ的实验结果,及打多晶体靶和非晶体靶的实验事实,表明这种能量变化的谱线是衍射线;另一种是能量恒定不变的谱线.氢气放电源和X光机X射线源打靶谱的对比实验结果表明:两种源打靶谱自洽.这说明和X光机X射线源打靶谱一样,氢气放电源打靶谱中那些能量变化的谱线是衍射线.但两种源打不同材料靶时都出现了同一类能量恒定的未知谱线,这类谱线的来源和特性有待进一步的实验研究.

大气压氦气介质阻挡斑图放电与辉光放电的转换条件及其演化过程

为研究在大气压氦气中斑图放电与辉光放电的转换,利用高频高压电源进行了大气压氦气介质阻挡放电(DBD)试验。通过测量外加电压与回路电流随时间变化的波形,并利用增强型电荷耦合器件(intensified chargecoupled device,ICCD)相机同时拍摄电极侧面和底面的短时曝光放电图像,研究了斑图放电和辉光放电的放电模式以及2种放电模式的转换规律。研究结果显示:放电起始时放电空间出现斑图放电,每个斑图放电单元经历了由汤森放电向辉光放电的演化过程;放电起始后降低外加电压,可得到稳定的单脉冲辉光放电;升高外加电压,回路电流逐渐变成双脉冲,斑图放电单元面积变小,放电单元数增多,放电逐渐均匀;外加电压升高到回路电流变为3脉冲及以上时放电转化为多脉冲辉光放电。以上结果证明:单个回路电流波形不能用来判断放电的均匀性;随着外加电压的升高,斑图放电向辉光放电的转换过程实质上是局部辉光放电向整体辉光放电的演化过程。

等离子体的Langmuir探针诊断及数值滤波

Ｌａｎｇｍ ｕｉｒ探针是诊断等离子体荷电粒子参数的重要手段。本文首次报道了用加热的调谐探针，在抑制了对探针的射频干扰和“中毒效应”之后，对探针Ｉ－Ｖ 曲线的统计涨落噪声进行了数字滤波的光滑化处理，获得了射频辉光放电硅烷等离子体的电子能量分布函数，平均能量（温度）和浓度等重要参数。

降低放电电场形成大气辉光放电的研究

试验研究了低电场下大气压2mm空气流动间隙的介质阻挡放电特性,结果表明,同时采用空气流动和触发技术能触发低电压(≥0.65Ue)放电,空气流动能维持低电压(≥0.83Ue)均匀放电;在空气流动的作用下,大气压2mm空气间隙的丝状放电可转化为均匀的辉光放电。最后探讨了空气流动形成大气压辉光放电的机理。

空气辉光放电暂态空间电荷机理仿真分析与验证

为研究空气辉光放电暂态空间电荷的产生机理,提出了基于流体–化学反应的空气放电2维混合数值模型,并采用仿真模拟及实验验证方法获取在空气放电过程中空间电荷的产生机理及空间动态分布。在模型中,空气放电粒子输运过程采用流体动力学模型处理;粒子之间的反应过程采用化学反应模型处理,共包括12种粒子和27种化学反应过程。通过仿真及实验数据发现,放电电压–电流特性、电子温度空间分布的仿真数据与实验测量数据相符。基于被验证的仿真模型发现,放电过程中N2的电子碰撞电离反应是电子产生的主要方式。N2+和O2+是放电过程中产生数密度最大的正离子,分别为1.1×1015 m-3、3×1014 m-3。N2+产生速率比O2+的产生速率快,分别为5.4×1022 m-3s-1、1.8×1022 m-3s-1,表明正离子和电子决定放电过程中等离子体的特性。随着放电时间延长,阴极的传导电流密度逐渐增加,但阳极的传导电流密度逐渐减少。提出的流体–化学混合模型可真实模拟空气辉光放电的暂态过程,对研究空气辉光放电的物理机理具有重要意义。

氩直流辉光放电等离子体中电子运动及能量的模拟

采用自动调节时间步长的蒙特卡罗模拟,对平行板放电系统中的氩气直流辉光放电系统中的等离子体区内电子的运动过程进行了跟踪和抽样。统计结果表明:在我们的实验条件下,等离子体中的电子在电场作用下出现明显的轴向漂移;在40000次抽样中,出现能量为E的电子数目随能量E增大呈下降趋势,场强增大将引起能量分布展宽和电子平均能量增加;即使场强达到15V·cm-1,等离子体激发和电离仍是很少的;场强和气压都能明显改变电子的平均自由程。

高精度雷管爆破振动信号特征比较分析

结合普通雷管和高精度雷管爆破振动监测实验数据,采用小波包分析提取爆破振动信号能量分布特征,对比分析和研究了高精度雷管与普通雷管振动信号在频带分布、不同频带能量方面的特征。结果表明使用高精度雷管实施爆破有助于降低爆破振动。高精度雷管振动信号频带分布较窄,90%以上的能量集中于0～100 Hz,低频带能量占据比重较大,在0～50 Hz内的能量约占总能量的75%～90%。要注意在0～4 Hz内的能量对周围建构筑物的影响,而不能仅仅靠振动速度来判断爆破振动对建构筑物的影响。

介质阻挡放电中的紫外线预电离

为解决大气体下尤其是空气辉光放电产生等离子体的困难,通过采用脉冲火花放电产生的紫外线对介质 阻挡放电预电离试验研究了紫外线预电离对降低空气击穿场强、“点燃”主放电的作用和气压与主放电频率对预电 离的影响;探讨了与气体流动等条件相结合,用预电离方法实现大气压下空气中辉光放电的可能性。