He/Ar混合气体空心阴极放电特性的模拟研究

为了进一步揭示He/Ar混合气体中空心阴极放电机理,利用流体模型模拟研究了He/Ar混合气体环境下空心阴极放电的放电特性,模拟得到了电势、电子密度、He^+和Ar^+密度、电场强度的分布特性。本文特别对He/Ar混合气体环境下中He和Ar对新电子的产生机理,即不同类型电离速率以及电压对电离机制的影响进行了研究。结果表明:整个放电区域分为阴极位降区和负辉区。阴极位降区内存在很强的径向电场,较高的离子和电子密度差,高电子平均能量。负辉区电场强度和平均电子能量很低,电子和离子密度峰值位于负辉区。氩气的加入大大促进了放电的进行。虽然Ar原子所占比重只有5%,但是氩气在放电过程中起着和氦气同等重要的作用。Ar的离子和亚稳态原子密度均高于He的离子和亚稳态原子密度,同时,Ar^+对二次电子发射影响要高于He^+。随着电压的升高,电子和离子密度升高,阴极位降区径向电场强度和平均电子能量增加,负辉区内径向电场和电子平均能量降低,电离速率增高。氩气所参与的电离速率比重略微增加,分步电离所占总的电离速率比重出现明显增加。

Study of the Discharge Mode in Micro-Hollow Cathode

In this study, micro-hollow cathode discharge （MHCD） is investigated by a fluid model with drift-diffusion approximation. The MHC device is a cathode/dielectric/anode sandwich structure with one hole of a diameter D=200 um. The gas is a Ne/Xe mixture at a pressure p=50-500 Torr. The evolutions of the discharge show that there are two different discharge modes. At larger pD the discharge plasma and high density excited species expand along the cathode surface and, a ringed discharge mode is formed. At smaller pD, the discharge plasma and the excited species expand along the axis of the cathode aperture to form a columnar discharge.

电极结构对离子风流场影响的数值模拟

为研究电晕放电离子风的流场分布以及微细颗粒物在流场中的运动规律,采用线–板放电装置及2种不同结构的线-孔板放电装置,在分析电晕放电是空间电场分布和射流口入射风速分布的基础上,对放电空间流场网格分布细化,利用FLUENT软件模拟研究了3种不同电极间结构下离子风的流场分布情况,重点研究了接地极板附近的流场状态。模拟结果表明:电极结构及极配方式是影响离子风流场分布的主要因素。孔板结构消弱了离子风在孔板附近的风速,且电晕极正对孔板开孔圆心的配置时消弱作用最为明显。在线-孔放电结构中,离子风将带动颗粒物进入孔板与接地板形成的密闭空间,该部分粉尘将直接被收集,证明了通过改变电极结构有利于改善离子风对粉尘收集的负面影响,有效提高对微细粉尘、低比电阻粉尘的收集效率,达到超低排放。

空心阴极自脉冲放电的电学特性

自脉冲是空心阴极放电中一种常见的不稳定现象,但是关于其特性和形成机理还存在一定争论。为了进一步揭示空心阴极放电自脉冲的放电机理,提高空心阴极放电的稳定性,在压强为1 330 Pa的氩气实验条件下测量得到了空心阴极放电的伏安特性曲线、自脉冲波形、自脉冲频率、等效电阻等放电特性。同时在实验数据的基础上,建立了一RC等效电路模型,将放电单元等效为一电容器和电阻的并联结构,自脉冲放电过程等效为一电容器的充放电过程,模拟再现了空心阴极放电中的自脉冲现象。实验结果表明:在自脉冲放电模式下,自脉冲频率随着平均电流的增高而升高;脉冲电流的最大值和最小值均随平均电流的增加而升高;脉冲电压的最低值基本不随平均电流变化,最高值随平均电流的增加先升高到一定值后然后基本保持不变;放电单元的最大和最小等效电阻值均随平均电流的增高而降低。利用RC等效电路模型比较好地再现了实验中的电流和电压波形。模拟结果表明,不同平均电流时,将放电单元充放电过程中的等效最大和最小电阻视为可变电阻去代替等效恒定电阻可以使模拟结果更接近实验结果,也更符合实际放电情况。

微空心阴极维持放电获取大体积放电等离子体的实验研究

为在高气压下获得稳定的大体积辉光放电等离子体,将微空心阴极放电(MHCD)作为等离子体阴极获取电子源,引入第2阳极设计为微空心阴极维持放电(MCSD)发生装置,实验研究了微空心阴极维持辉光放电的放电图像、伏安特性曲线以及气压、第1和第2阳极间距以及第2阳极偏置电压对MCSD放电特性的影响。在此实验条件下可以获得长度为3~5 cm,体积高于10 cm^(3),电子数密度为10^(11)cm^(-3)量级的辉光放电等离子体。实验结果表明,随着阴极电流的增加,源自MHCD和第2阳极方向的辉光放电逐渐向放电轴向中心处汇聚,并最终形成MCSD放电。MCSD的形成为MHCD放电与第2阳极辉区放电相互作用的过程。MCSD放电中存在明显的迟滞效应,MCSD湮灭电流明显小于击穿阈值电流。第2阳极偏置电压对MCSD的击穿阈值的影响较大,但是对湮灭电流的影响较小。第2阳极偏置电压越低,MCSD放电的迟滞效应越明显。

油气储罐罐壁焊缝静载拉伸检测试验研究

为建立磁记忆信号与罐体焊接缺陷演变的对应关系,获得以非接触方式检测焊缝处的磁记忆信号来实现对罐体的早期预警和无损检测技术,开展罐壁焊缝试样静载拉伸试验,研究油气储罐在静载拉伸过程中焊缝的磁记忆信号变化规律,并结合有限元模拟仿真进行磁场分布规律的分析。结果表明:磁记忆信号梯度值会在焊缝缺陷处产生突变;随着裂纹深度的增加,磁记忆信号梯度峰峰值呈线性增加,并且峰值随着拉伸载荷的增加而线性增加。

双空腔电极静电雾化泰勒锥形貌特性

利用空腔针-板放电装置,研究了双空腔电极的泰勒锥形貌,并分析了影响雾化效果的因素.通过软件处理高速相机拍摄的图像,研究了不同电压和分离角度下的泰勒锥形貌、锥长和锥角等参数.结果表明:可以通过弯曲处理来减弱双空腔之间的放电抑制作用.在同等长度下,单空腔电极与双空腔电极相比,双空腔电极的雾化效果与泰勒锥形貌都要更好,且在不同的双空腔电极的分离角下,当分离角为60°时雾化效果最好.故双空腔电极分离角为60°时可作为优化电极.电压为25kV时双空腔电极形成的泰勒锥形貌最佳.

空心阴极自脉冲放电的时空演化特性

本文利用圆筒形空心阴极放电结构,研究了自脉冲放电等离子体参量的时空演化特性。在气压为133 Pa的氩气环境下获得了稳定的自脉冲放电,同时将测量得到的极间电压作为输入电势,利用流体模型进行了空心阴极自脉冲放电的数值模拟研究。模拟得到了放电电流、电势、电子密度、电场和净电荷密度的时空分布特性。结果表明等离子体参量随时间成周期性变化。自脉冲现象为由孔外低电流、低径向电场强度、低电子密度、低净电荷密度放电模式向孔内高电流、高径向电场强度、高电子密度、高净电荷密度放电模式的一个往复转换的过程。自脉冲不同阶段放电模式的转换与平均电流有关。当自脉冲放电处于电流峰值时为具有较强空心阴极效应的正常辉光放电模式。自脉冲处于低电流时的放电模式与平均电流有关。当平均电流较低时,自脉冲放电在阳极和孔内阴极附近往复移动;此状态下瞬时电流最低值时放电处于汤生放电模式。当平均电流较高时,自脉冲放电在阴极孔口和孔内阴极附近往复移动;此状态下瞬时电流最低值时阴极附近的阴极鞘层基本形成。

阵列微空心阴极维持放电模拟研究

本文基于流体模型模拟研究了阵列微空心阴极维持放电(MCSD)的时空动力学特性,特别对不同电极表面电流的变化规律及其与带电粒子密度和电场等微观参量的关系进行了深入分析.模拟结果表明,随着阴极电流的增加放电分为4个阶段.第一阶段为类汤生放电阶段,此时三个电极上的电流、空间电荷密度和电场强度均很低.第二阶段为空腔内放电击穿阶段,此阶段空腔内放电击穿,并产生明显的空心阴极效应.微空心阴极(MHCD)两电极表面电流、空腔内带电粒子密度和电场强度迅速升高.但是此时MHCD电极中的阳极(第一阳极)仍然为阳极角色,MHCD和第三电极间(第二阳极)放电未击穿.第三阶段,微空心阴极和第三电极空间的放电逐渐击穿,MHCD中阴极和第一阳极表面电流方向相同,第一阳极逐渐由阳极转变为阴极角色,并在其附近形成较明显的阴极鞘层结构,MCSD放电空间的带电粒子密度迅速升高.第四阶段为放电的稳态阶段,形成稳定的阵列微空心阴极维持辉光放电,MCSD放电结构中各电极表面电流之间满足定量关系.模拟结果同时表明,除了微空心阴极放电,第三电极辉光放电对空腔内放电和阵列MCSD放电的形成均具有重要的促进作用.阵列MCSD为MHCD放电和第三电极辉光放电共同作用形成的.