微腔结构介质阻挡放电的电气特性

为了研究微腔结构介质阻挡放电的电气特性及微腔表面电荷积累对电气参数的影响,使用了在介质板表面制作网格微结构电极的放电装置,在分析放电发生前电势及场强分布的基础上,建立了其放电时刻的等效电路,并借助由实验得到的Lissajous图形推导出其等效电容、放电通道传输的电荷量、气隙电压及平均放电功率的计算公式.实验及分析结果表明：随外加高频电压升高,介质板两侧电极间的等效电容Cd基本维持不变,微腔表面与接地电极间的等效电容Cq受微腔表面积累电荷的影响有3～4倍的变化;Cq和Cd的并联模型符合实际放电的特点;放电产生的等离子体向微腔表面的中心发展,微腔表面的功率密度可达0.028 W/mm2.

微腔结构介质阻挡放电的仿真与实验研究

为了深入研究微腔结构介质阻挡放电(MDBD)的放电机理,搭建了基于介质板表面网格微结构电极装置的实验平台。在分析MDBD微放电过程的基础上,提出了基于电压控制电流源(VCCS)的等效电路来模拟MDBD微放电气隙的动态变化。利用Matlab建立动态仿真模型,并对MDBD的放电特性进行仿真,得到了MDBD放电时的电压电流波形和Lissajous图形。同时,对MDBD的放电特性进行实验研究,并将仿真与实验结果进行对比,验证了MDBD动态仿真模型的准确性。进而利用仿真模型分析计算了不同电压幅值下平均放电功率和放电通道传输电荷量,结果表明,通过仿真计算和实验测量得到的结果及其变化规律是一致的。

三电极结构在双源激励下的介质阻挡放电特性

介质阻挡放电(DBD)在工业中得到广泛应用,但效率限制了它的进一步应用。提出了一种DBD结构和针板结构相结合的三电极结构。将正极性脉冲电源施加在DBD电极上,负极性脉冲电源施加到针板电极上。分析了不同结构下三电极DBD的放电特性、现象和光谱强度。结果表明,三电极结构更加有利于DBD放电通道的产生,其放电均匀性、发光强度均强于双电极DBD,特别是在丝网接地电极条件下,放电更加强烈。当三种电极结构正极性电压维持在11 kV,负极性电压为-5 kV时,丝网接地三电极中DBD的放电电流峰值达到1.54 A,而实心接地三电极和传统双电极中DBD的放电电流峰值为1.14 A和0.74 A。在负极性脉冲维持期间,针网间隙处于击穿状态,DBD放电出现很大的放电电流。在三电极结构中,随着施加在针板上负极性电压的升高也使三电极DBD放电更加强烈。不同结构下的DBD的放电光谱表明在丝网接地时三电极DBD激发粒子的光谱强度最强。这一趋势与DBD放电电流和功率一致。

微纳级GaN基VCSEL中周期反射结构与电子阻挡层的设置作用分析

氮化镓(GaN)基微纳米结构生长技术的成熟为微纳级GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的制备提供了新的途径。本文设计了基于GaN基轴向异质结微纳米柱的微纳级VCSEL结构,采用Al_(0.8)Ga_(0.2)N/In_(0.2)Ga_(0.8)N应变补偿结构作为上下分布式布拉格反射镜(DBR),其中Al_(0.8)Ga_(0.2)N层的Al组分远高于传统结构中的电子阻挡层(EBL),能够更好地起到电子阻挡的作用。本文使用商用软件PICS3D构建了电子阻挡层处于不同位置的VCSEL数理模型,并进行数值模拟计算,探索和分析物理机理,解释了不同位置EBL对空穴注入效率的影响。结果表明,采用Al_(0.8)Ga_(0.2)N与In_(0.2)Ga_(0.8)N组成的应变补偿DBR可以更好地提高空穴注入效率,优化器件光电性能。

基于不同谐振腔结构的有机微腔激光器的研究进展(特邀)

有机微腔激光器利用有机增益材料和微腔结构的优点,在先进的光学领域中取得了巨大的发展,具有广泛的应用前景。有机微腔激光器通过对增益材料和谐振腔的调控,实现对激光的频率、横向分布特性及模式选择等进行选择性输出。本文对近年来报道的有机增益材料和光学谐振腔的种类及特性进行了归纳,总结了具有不同谐振腔结构的有机微腔激光的研究进展,为进一步拓展有机微腔激光器提供借鉴和启发。

不同尺寸微腔介质阻挡放电的对比研究

为进一步降低放电起始电压,产生数量较多、分布较均匀的低温等离子体,设计并制作了一种印刷电路板上的新型微电极——微腔结构电极,在高频正弦交流电压下,对尺寸l为0.3 mm、0.5 mm和1.0 mm微腔结构电极进行实验,根据得到的Lissajous图形进行分析。实验研究表明:外加电压相同条件下,微腔阵列的表面积与接地电极的面积之比D为0.69时,微腔与接地电极间的等效电容C_q、放电气隙电压U_g、半个周期内放电通道传输的电荷量Q_g、平均放电功率P均达到最大;但微腔电介质表面功率密度ρ却在D为0.36时达到最大;且高压电极与接地电极间的等效电容C_d变化很小,基本接近于静态介电常数对应的数值。

基于微电极结构的介质阻挡放电特性参数的仿真计算

为了深入研究微腔介质阻挡放电(MDBD)的放电机理与放电参量的演化规律,搭建了基于介质板表面网格微结构电极装置的实验平台,并在深入分析其放电机理和实验结果的基础上建立了MDBD等效电路,建立了基于基尔霍夫电压方程,Boltzmann方程和电子连续性方程的仿真模型,并通过Matlab/Simulink和BOLSIG+软件联立求解,得到了MDBD伏安特性曲线、气隙电压、介质表面电压、电子密度和电子温度等特性参量的变化规律,并分析了电子平均能量与约化场强的对应关系。结果表明:MDBD气隙电压和介质表面电压在气隙击穿后基本维持不变,电子温度和电子密度与放电电流的变化规律一致,电子温度最高值约为3.0 eV,平均值约为1.6 eV,电子平均能量约为1.2 eV。

电极结构对多孔陶瓷孔内微放电特性及苯降解的影响

微放电可在小的空间中产生高密度等离子体,有利于气体污染物的高效处理。该文研究了电极结构及电极形状对多孔陶瓷孔内微放电特性及苯降解的影响。结果表明:在相同外加电压条件下,与二电极结构相比,三电极结构可生成更多的丝状放电通道,峰-峰电荷Qpk-pk提高了3.2倍,放电电荷Qd提高了4.4倍,放电功率从0.8W提高到8.6W,苯降解效率提高了35.1%;网高压电极结构相比于弹簧电极,能够增加有效放电面积并增强放电强度,放电功率相较于弹簧电极构型提高约4W,丝状放电通道能够充满放电空间,显著提高苯降解效率。

光学方法研究介质阻挡放电中的微放电特性

首先用真空光电倍增管测量了斑图模式大气压介质阻挡放电的总光信号 ,并通过在电路中串联小电阻的方法测量了放电的电流信号。结果发现 ,两种方法所测得的信号在幅度和位置上存在严格的一致性 ,说明可以利用光学方法测量介质阻挡放电的电流信号。采用光学方法测量了介质阻挡放电中的微放电通道的时间特性。本工作所得到的结果对于介质阻挡放电的时空动力学研究具有重要意义 ,同时对气体放电研究具有一定的参考价值。

微间隙大气压空气介质阻挡放电模式的转化

大气压空气中介质阻挡均匀放电产生的等离子体在工业领域具有广阔的应用前景。为研究这种放电的产生条件及机理,利用微间隙介质阻挡放电装置,通过测量放电参数和发射光谱,研究了放电模式的转化过程。结果表明:低电压时电流波形每半个周期存在若干个脉冲宽度很小的脉冲,为微放电丝模式;随着电压增加,电流每半个周期出现了一个宽度较大(约5.5μs)强度较强的脉冲,该较宽电流脉冲上随机叠加了宽度小(约100 ns)强度弱的小脉冲;外加电压峰值达到9.2 kV时,电流波形只存在该较宽放电脉冲,为均匀放电模式。放电发射光谱的研究表明:外加电压增加时谱线强度比降低,即高能电子比例减小。这说明随外加电压增加,微气隙中的放电电场强度是降低的。

结构及供电电源对沿面介质阻挡放电装置放电特性及臭氧生成的影响

沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体能够高效生成反应活性物质,在生物医学、环保等应用领域得到广泛研究。SDBD装置的结构和供电电源参数是影响其放电特性及反应活性物质生成的主要因素,为此,以具有螺环线形高压电极的管状沿面放电装置为对象,研究了装置结构及供电电源对其放电特性及臭氧生成的影响。结果表明:在相同的供电电压下,螺环线形高压电极的螺距、介质厚度影响电极间的电场强度和分布、放电功率和臭氧生成量,但螺环线形高压电极的线径对放电功率和臭氧生成量几乎没有影响;螺环线形高压电极的螺距存在一个优化值,在螺距低于25mm时,放电功率和臭氧产生量随着螺距的增加而增加,当螺距大于25mm时,放电功率和臭氧产生量基本不再变化;当绝缘介质管厚度由3mm减小到1.6mm时,放电功率提高约2倍,臭氧产生量提高约3倍。同采用50Hz交流电源供电相比,SDBD装置采用9.6k Hz高频电源供电时,在较低的电压下即可获得较大的放电功率及臭氧产量,且臭氧生成的能量效率提高约25%。

大气压空气中同轴介质阻挡放电微放电特性

为了更好的利用和研究介质阻挡放电技术,探讨了研究较少的同轴介质阻挡等离子体反应器的放电特性。因该类反应器2个介质阻挡层结构不一致,导致微放电行为在高频高压电源的正弦波电压的正、负半周内特点不同。研究从其放电的等效电路模型,流注放电击穿机理,以及在大气压空气中的放电实验等方面进行。结果表明,大气压下放电间隙8mm反应器时,放电电流波形在外加电源电压的正负半周期内不对称;分别呈现出明显的“似辉光放电”和“丝状放电”特点,单个微放电电流脉冲宽度约50ns,与外加电源电压极性和频率无关。

介质阻挡放电中四边形发光斑图的时空结构

为了研究介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)中四边形发光斑图的时空结构,采用高速相机,首次在外加电压的半个周期内,对此斑图进行了时空分辨研究。在空气-氩气介质阻挡放电中,随着外加电压的增加,放电丝的分布经历了随机放电丝—六边形斑图—四边形斑图—混沌的转变过程。经长时间观察发现,四边形斑图非常稳定。在外加电压的每半个周期内,四边形斑图相应的放电电流由2个明显的脉冲组成。实验采用高速相机,分别在2个电流脉冲时间内对放电过程进行了拍照,结果发现每个电流脉冲分别对应1套稀疏的四边形子点阵发光斑图,2套子点阵互相嵌套形成所观察到的四边形发光斑图。

大气压介质阻挡微放电通道的相互作用

为了分析放电过程中微流注之间、微辉光之间的相互作用,采用配有微距镜头的CCD高速相机,对1mm间隙的针-板介质阻挡放电中的放电影像进行了采集。对放电影像的分析结果表明,当为单针-板DBD结构时,由于介质表面沉积电荷的影响,产生反向电场,微流注放电通道围绕沉积电荷高速游动,肉眼观察时则呈现出具有一个圆形底盘的锥形的放电形态。当为双针-板DBD结构时,两放电通道表现为相互排斥作用。当为三针-板DBD结构时,中间的微流注发光很弱,两侧的微流注仍然出现分别向左右弯曲或者偏移的现象,表现出相互排斥的现象。

高频介质阻挡放电反应器结构研究

甲醛,作为一种广泛使用并非常有害的有机废气,已在很多场合对人体健康构成严重威胁。笔者研究利用高频介质阻挡放电技术进行降解甲醛的实验研究,考察了反应器结构参数对甲醛降解率的影响,并对高频介质阻挡放电产生的低温等离子体去除甲醛的机理进行分析。实验结果表明,其它条件稳定不变的情况下,放电极和反应器介质管径变化对甲醛降解率有显著的非单调的影响,对于放电极直径和反应器介质管径应存在最佳尺寸配比,使得甲醛降解率最高;钨丝比铜丝和不锈钢丝更适合作为反应器内部轴线放电极;采用相对介电常数较大的99瓷作为阻挡层介质材料,甲醛降解率从41%提高到76%;在电源输出功率一定的条件下,反应器有效反应长度存在最佳值。该研究通过考察反应器结构参数变化对甲醛的降解效果的影响,从而达到反应器最优化的目的,并为该技术应用于工业废气的处理及室内空气净化打下基础。

采用高速照相机研究介质阻挡放电超四边斑图的时空结构

为了研究介质阻挡放电中超四边形斑图的时空结构,首次采用三通道高速照相机,在外加电压的半个周期内,对此斑图的不同电流脉冲进行瞬态拍照。实验发现:稳定的超四边斑图能在不同的实验条件下得到;在外加电压的每半周期内,超四边斑图的放电电流由3个明显的脉冲组成,其中2个脉冲位于电压绝对值的上升沿,1个位于其下降沿;超四边斑图由3套四边形子结构组成,其中上升沿放电的小点四边形和大点四边形相互嵌套,而在下降沿放电的小点位于大点的中心。经分析发现,壁电荷在超四边斑图时空结构的形成中起到了重要的作用。

不同电极结构介质阻挡放电特性比较

采用电压-电流波形测量、发光图像拍摄、光谱分析等手段研究大气压空气中刃-板电极、针-板电极和柱-板电极结构介质阻挡放电(DBD)的放电特性,并研究电压幅值、电源频率及气隙距离对放电功率和分子振动温度等放电参量的影响,结合放电理论对不同电极结构DBD的特性进行分析。结果表明:3种电极结构DBD的电压电流波形、Lissajous图形以及光谱谱线体现出不同的特点,相同条件下柱-板电极结构DBD放电强烈,消耗放电功率多,粒子谱线强度高,放电电流可达200 mA。电极布置差异导致电场不均匀系数的不同是放电特性出现差异的主要原因。随着电压幅值、电源频率的增加和气隙距离的减小,3种电极结构放电增强,放电功率和分子振动温度增加。

不同电极结构下介质阻挡放电电离特征的试验研究

由于具有工作气压高、放电均匀等特点,大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。电极结构是电离特性的主要影响因素之一,因此,通过电极结构优化来改善电离特性,对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。为改善大气压介质阻挡放电的电离特性,产生高活性、高均匀性的低温等离子体,基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断;在一个标准大气压、放电频率11.4kHz、放电峰值电压5.4～13.4kV条件下进行了氩气电离试验;采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;研究了螺纹电极、齿状电极、圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。结果表明,齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著,电子平均能量利用率低,电子激励温度弱于圆柱电极;圆柱电极放电强度较弱,但易形成大面积均匀性等离子体;大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给,而是取决于电极结构、气体组份、气体压强;增大外施电压仅能增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500K,符合典型的低温等离子体特征。

微腔结构DBD放电功率的研究

鉴于以往微放电结构存在效率较低和放电均匀程度差的问题,提出一种基于介质阻挡放电(DBD)的新型微等离子体放电结构,该放电结构采用微腔网格形状电极。通过建立放电前后的等效模型,推导出放电功率公式,进行放电功率的影响因素分析实验,研究其电气特性及匹配电源问题。实验结果和理论分析基本吻合。随着电源电压和频率的增加,放电功率非线性增加。同时,放电效率较网-板、板-板结构DBD增加明显,传输电荷较网-板、板-板分别提高了11%和20%左右。

介质阻挡放电等离子体中OH自由基的光腔衰荡光谱原位诊断

研制了一套等效噪声吸收可达3×10^-9 cm^-1的连续波光腔衰荡光谱装置。用该装置对介质阻挡放电等离子体中的OH自由基和水进行了原位定量测量，考察了OH自由基数密度随气压和放电电压以及放电频率的变化情浣。实验结果表明，在（2．13～22．0）×10^3Pa范围内，随着气压增加，OH自由基数密度在气压较低时增加；而在较高气压时由于H2O的解离吸附作用使得体系中电子密度减小，OH自由基数密度随之减小。随放电电压和放电频率增加介质阻挡放电等离子体中电子密度和电子能量增加而导致OH数密度增加。