大气压氦气射频介质阻挡辉光放电的均匀性研究

为了研究大气压射频介质阻挡辉光放电的时空特性,采用一个表面覆盖有石英介质的铜电极和一个自制水电极的放电系统,在氦气中获得了大面积和较大电极间距下的辉光放电。对ICCD高速相机拍摄的径向放电图像和轴向放电图像分析揭示了射频介质阻挡辉光放电不仅具有较好的径向均匀性,而且具有很好的轴向均匀性,并不存在沿径向的发展。这是不同于中频介质阻挡辉光放电的一个显著特征。此外,注意到射频介质阻挡辉光放电在径向和轴向上的发展均与射频周期有很强的关联性。分析认为这是由于空间电荷在射频介质阻挡辉光放电的形成和发展中发挥主导作用。因此,可以认为射频介质阻挡辉光放电所具备非常好的径向和轴向均匀性,与中频介质阻挡辉光放电相比,可能会更有利于工业生产中进行均匀薄膜沉积和对薄膜表面改性处理等。

大气压介质阻挡放电同步辅助射频辉光放电研究

采用在大气压脉冲调制射频(radio frequency, RF)辉光放电段之间同步引入介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体射流的放电技术,通过电压和电流曲线以及放电的时空分布的时间演化过程,表征脉冲调制射频辉光放电和介质阻挡放电等离子体射流的放电特性及其动力学过程。试验研究发现,引入介质阻挡放电能有效辅助射频放电的起辉过程以及降低射频放电的击穿电压(从2.36 kV降至1.53 kV),这是由于介质阻挡放电等离子体射流在射频放电区域中注入了等离子体子弹,这一点可以由放电图像强度和放电空间结构的时间演变看出。

射频驱动频率对托卡马克装置辉光放电清洗特性的影响

HL-2M装置初始放电阶段,分别采用2.1 MHz,13.56 MHz和40.68 MHz三种频率的射频电源开展了射频-直流辉光放电清洗实验,研究射频驱动频率对放电清洗特性的影响。预加载功率1500 W时,2.1 MHz放电的击穿气压为2.0×10^(−1) Pa,13.56 MHz放电为5.6×10^(−1) Pa;而40.68 MHz叠加直流偏压后在9.2×10^(−1) Pa实现击穿。对三种频率辉光放电清洗实验过程中的残余气体成分进行监测,结果表明杂质产额由高到低为:2.1 MHz>40.68 MHz>13.56 MHz。由于低频放电具有较多的加热电子数,所以2.1 MHz放电的杂质产额最高。而虽然40.68 MHz放电的功率耦合效率最低,但由于具有高的等离子体密度,其杂质产额高于13.56 MHz。可见2.1 MHz的射频-直流辉光放电在HL-2M装置初始放电阶段具有最优的清洗特性。然而由于不同频率的功率耦合效率不同,同样会对清洗效率产生影响,因此下一步首先应解决阻抗匹配问题以提高耦合功率。

高纯空气介质阻挡辉光放电对双向拉伸聚丙烯薄膜表面改性研究

设计智能等离子体放电实验系统,并通过高纯空气介质阻挡辉光放电(DBGD)等离子体对双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)进行表面改性。利用接触角测试仪对样品表面进行接触角测量和固体表面能分析;利用傅里叶红外光谱仪表征BOPP膜表面的化学成分变化。结果表明,产生介质阻挡辉光放电的间隙与气体气压大小成反比,高纯空气介质阻挡辉光放电对改善BOPP膜表面的固体表面能效果明显,表面液体接触角显著变小,等离子体表面改性效果随处理时间和放电功率密度的增加而显著提升。通过对处理前后样品的傅里叶红外光谱分析,发现处理后的样品出现了新的C—O基团和C—H键等,薄膜表面化学结构发生了变化。

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。

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。

大气压介质阻挡辉光放电等效电容及对放电参数的影响

等效电容是研究大气压介质阻挡放电的基本参数。按定义式计算电容值由于没有考虑杂散电容以及外加电压参数的影响,用于计算介质阻挡放电参数不够准确。丝状放电规则的平行四边形Lissajous图,在一定假设条件下可计算介质阻挡放电的等效电容,但大气压辉光放电是不规则平行四边形。此外,计算放电参数必须用同一电压下的回路电流和等效电容,但是测量回路电流就无法同时测量Lissajous图形。为此,基于大气压氦气介质阻挡辉光放电试验测量的外加电压和回路电流,提出了该外加电压下Lissajous图形的计算方法。基于该图形,提出了大气压辉光放电时等效电容计算方法:简化法和分段法。根据计算结果,研究了等效电容对计算放电参数的影响。研究结果表明,计算法得到的Lissajous图形反映了放电过程;简化法比定义计算法得到的等效电容用于计算放电参数更接近真实放电过程,而分段法可用于探讨放电过程中瞬态等效电容的变化;等效电容对计算放电电压和电流影响很大。

裸露金属电极大气压射频辉光放电研究进展

射频大气压辉光放电等离子体在等离子体辅助刻蚀、薄膜沉积、消毒灭菌、空气净化、战地生化清洗等领域有着非常广阔的应用前景。目前,采用具有裸露金属电极结构的等离子体发生器实现大气压条件下氮气、氧气以及空气等廉价气体的稳定射频辉光放电是一项具有挑战性的研究工作。本文以采用诱导气体放电法和局部电场强化法产生纯氮、纯氧及空气的大气压射频辉光放电等离子体以及大气环境下气体流动对等离子体放电特性的影响为重点,综述了裸露金属电极结构的大气压射频辉光放电等离子体电特性实验研究的最新进展。

钢铁材料表面成分及其深度分布的射频辉光放电光谱研究

利用射频辉光放电光谱仪逐层分析的特点,对钢铁表面分析的4个特殊实例进行了研究探讨。分析了镀锌板镀层中元素的组成,在质量分数-深度谱图中计算出镀锌板镀层中脆性相(γ相)的厚度;研究了镀锡板表面氧元素的深度分布,通过对比分析正常及缺陷镀锡板的辉光谱图,确定了试样表面暗黄色斑点产生的原因为镀锡层表面不够致密;建立了一种强度积分法直接对未校正元素进行半定量分析,并应用于硅钢涂层中镁元素的计算,相对标准偏差为2.41%;探讨了用能产生高能量离子的氖气作为工作气体,用于氟等难激发元素的分析测定的可行性研究,测定一种钢铁表面涂附的特氟隆涂层的厚度约为1.5μm,克服了基于氩气为工作气体的辉光光源在分析元素方面的局限性。

辉光放电光谱激发源的射频功率驱动及自动控制系统

射频辉光放电原子发射光谱仪(RF GD-OES)的显著优势在于既能分析导体样品,又能直接分析非导体固体样品,在微纳米非金属涂镀层材料的逐层分析领域有着广泛应用。为此,介绍了射频辉光放电光谱激发源采用的射频功率电源及功率匹配器的工作原理,并结合双向可控硅交流调压技术研制了射频电源的计算机自动控制系统,给出了射频输出信号的计算机控制结果。采用本射频功率驱动及自动控制系统,结合自行研制的Grimm型辉光放电激发源,对有机防腐涂层样品进行了溅射激发,溅射效果良好。给出了溅射坑表面形貌图以及显微照片,经实验测得,逐层溅射速率为52.9 nm/s。采用本系统对1Cr18Ni9Ti不锈钢标准样品进行了分析精密度测试,Cr、Cu、Ti、Al元素测试结果相对标准偏差(RSD)均<2.6%。

大气压下氦气介质阻挡辉光放电过程的Lissajous图形分析

为研究介质阻挡放电(DBD)过程中等效电容的变化情况,利用高频高压电源,进行了大气压氦气介质阻挡单脉冲和多脉冲辉光放电试验,利用外施电压、回路电流计算得到放电Lissajous图形,并与直接测量的Lissajous图形进行了对比。确定了放电电流波峰和波谷在Lissajous图形上的对应位置,计算了放电截止和放电进行阶段气隙和介质的等效电容,分析了等效电容变化的原因,并且探讨了放电的物理过程。结果表明:计算得到的Lissajous图形与测量所得的Lissajous图形一致;介质等效电容在放电截止阶段保持不变,但在放电进行阶段随电流脉冲变化而变化,并且在电流峰值处最大;放电物理过程主要受到外施电压和介质表面电荷量的变化速率影响。

大气压氦气/氮气和氩气/氮气射频介质阻挡放电六边形斑图特性比较

为研究放电参数对射频介质阻挡放电的放电模式和斑图特性的影响,通过分析活性粒子在放电中所发挥的作用来探究放电机制的差异,采用一个表面覆盖有石英介质的铜电极和一个自制水电极的放电系统,在大气压氦气/氮气混合气体和氩气/氮气混合气体射频介质阻挡放电中获得了六边形斑图,并研究了电源功率、氮气流量对斑图特性的影响。通过比较两种放电形成的斑图发现:氦气/氮气混合气体中形成六边形斑图所需电源功率更高且具有更强的辉光背景。利用发射光谱诊断技术揭示了放电形成的活性粒子,分析认为亚稳态粒子通过Penning电离或Penning激发在放电中发挥了关键性作用。这不仅有助于深入理解射频介质阻挡放电的物理机制,还对斑图动力学的研究有参考价值。

大气压氦气介质阻挡辉光放电的数值仿真计算

通过精心选择一维模拟计算所需要的各个参数,使用有限差分法数值求解了大气压氦气介质阻挡辉光放电数学模型中的离子连续方程、电子连续方程、泊松方程以及相关的辅助方程,得到了与实验吻合度很好的仿真波形。在此基础上计算了电场、离子密度、电子密度等放电空间内部参量随时空的演化图,这些参量对定量分析大气压氦气辉光的放电机理有重要作用。从理论上对所得到的计算结果做出了解释,并使用仿真结果很好地解释了实验所拍摄到的放电图像。

射频辉光放电发射光谱法测定不锈钢成分的研究

研究了射频辉光放电发射光谱法(rf-GD-OES)测定不锈钢成分C,Si,Mn,P,S,Cr,Ni,Cu,Co,Al。考察了射频功率、载气气压、预溅射时间等仪器参数对不锈钢元素谱线发射强度及相对强度稳定性的影响和直流自偏压与射频功率和载气气压的关系。以此为基础,优化后的最佳分析条件为:射频功率90 W、载气气压300 Pa、预溅射时间100 s、积分时间20 s。方法用于测定不锈钢标准样品,测定值与认定值相符,精密度良好。

不同气压下氩气介质阻挡辉光放电的特性研究

利用双水电极介质阻挡放电装置,采用光学方法和电学方法测量了不同气压下氩气介质阻挡辉光放电发光和转移电荷的时间特性.随气压的增加,放电的光信号脉冲数不断增加.介质阻挡辉光放电的起始时刻都发生在外加电压的下降沿,也就是电压的零点以前,即"过零放电".通过Lissajous图形得到了放电功率.气压小于8.08×104Pa时,介质阻挡辉光放电电压和放电功率随气压变化缓慢增加;在气压大于8.08×104Pa时,介质阻挡辉光放电电压和放电功率随气压变化迅速增加.获得了气压对介质阻挡辉光放电电压和放电功率的影响.

介质阻挡放电和大气压辉光放电的分析和仿真

鉴于介质阻挡放电(DBD)和大气压下的辉光放电(APGD)都是非线性变化的负载,会给放电电源的设计带来很大麻烦,分别对这两种最有工业应用前景的低温等离子体技术进行了理论分析和仿真,讨论了表征放电特性的图形,指出了随着输入电压频率f的变化,DBD微放电脉冲的幅值将增大,而气隙上的电压Ug、介质上的电压Ud和外加电压U的关系保持不变。仿真和测量结果验证了理论分析的正确性。

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。

空气中介质阻挡大气压辉光放电特性的研究

采用筛网电极和聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)薄膜作为阻挡介质的介质阻挡放电(DBD)结构在空气中产生大气压辉光放电(APGD)。通过测量空气中APGD的电气特性和发光强度空间的分布特性,比较了它们与丝状DBD的区别: 通过研究APGD的放电特性,分析了空气中APGD的放电机理。实验结果与分析表明,采用该电极结构可以在空气中产生APGD,空气中APGD的放电特性与丝状DBD具有明显的区别,筛网电极起到了在气隙击穿前产生电晕放电对驻极体阻挡介质充电的作用。