曹滿輝，施蕓城

(東華大學(xué) 理學(xué)院, 上海 201620)

DBD高壓單脈沖放電過程分析

曹滿輝，施蕓城

(東華大學(xué) 理學(xué)院, 上海 201620)

利用微控制器同步高壓脈沖放電和光譜采集,獲得了管狀介質(zhì)阻擋放電(DBD)20～40kV納秒單脈沖放電的光譜特性;并利用示波器測量了單脈沖放電的電流和電壓特性,計算了電子密度.根據(jù)實際測量的氣隙電容和裝置的物理結(jié)構(gòu)尺寸,利用DBD等效電路,分析了放電特性和放電模式.結(jié)果表明,放電電壓的大小對電子密度和光譜線強度都有影響,載氣Ar的流量大小對電子密度和光譜線強度的影響較小.

介質(zhì)阻擋放電(DBD)； 單脈沖放電； 同步； 光譜采集

大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電(DBD)因其易于實現(xiàn)的放電環(huán)境和能夠產(chǎn)生高密度的等離子體被人們廣泛運用在醫(yī)療、材料處理、環(huán)境治理等領(lǐng)域[1].文獻[2]研究了在1 000 K的空氣中脈沖放電模式,得出放電存在3種模式:電暈、火花和類輝光.文獻[3]對脈沖和正弦模式的射流進行對比,研究了脈沖的電壓對DBD的影響.文獻[4]采用10 kV的脈沖放電,通過高速攝影對放電模式進行了分類.

通常借用積分光譜儀來測量大氣壓氬氣DBD的發(fā)射光譜.測量的方式是保持電源不停地放電,光譜儀采集一段時間的光譜.但是電源不停地重復(fù)放電后,采用通常的光譜采集方式是不能夠判斷外界條件的改變對每一次放電的影響是否一致,有哪些不同.通過采集單次放電的光譜,比較每一次放電的光譜變化,就能夠判斷在外界的條件改變后,對每一次放電的影響效果是否一致.本文將同步采集單次放電的光譜作為大氣壓脈沖DBD的光譜采集方式,并結(jié)合裝置的物理結(jié)構(gòu)尺寸等對單次放電電壓和電流特性展開了討論和研究.

1 實驗過程

1.1 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示,由高壓脈沖電源、同軸圓心電極、聚光系統(tǒng)、光譜儀以及微控制器(MCS)等構(gòu)成.高壓脈沖電源[5]通過磁開關(guān)方式提供納秒上升沿的高壓脈沖,放電電壓為0～40 kV,上升沿約為130 ns,主脈沖寬度為350 ns.放電電極為DBD形式，它由兩根石英管組成兩個分割的腔體,如圖2所示.外石英管的外徑為8.4 mm,內(nèi)徑為6.4 mm.在外石英管外包裹一圈寬度為16.2 mm的銅片,作為放電電極的負(fù)極;內(nèi)石英管的外徑為4.2 mm,內(nèi)

徑為2.2 mm.內(nèi)石英管一端被燒結(jié)而封閉,與外石英管內(nèi)腔空間隔離.內(nèi)石英管中插入銅棒,為放電電極的正極.聚光系統(tǒng)由直徑為38 mm,焦距為140 mm的凸透鏡組成.采用AvaSpec-USB2型雙通道光譜儀采集光譜,采集的波長范圍為550～950 nm,光纖接頭為SMA 905型,數(shù)值孔徑為3.17 mm.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental facility

圖2 DBD放電電極結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of DBD discharge electrode

1.2 光譜采集和脈沖放電的同步

實驗由微控制器MCS來提供脈沖放電電源和光譜儀同步工作的信號，同時MCS也是脈沖高壓源的控制系統(tǒng).光譜儀可以由外部觸發(fā)來啟動和停止光譜的采集過程.觸發(fā)模式為上升沿觸發(fā).首先,在給光譜儀一個脈沖信號后,光譜儀需要一個延時時間后才開始采集光譜,采集光譜的時間為積分時間,然后，光譜儀將采集到的光譜數(shù)據(jù)保存在PC機中,只有當(dāng)延時時間、積分時間和儲存數(shù)據(jù)的時間完成后,光譜儀才會對下一個脈沖上升信號響應(yīng).

脈沖高壓電源也是由MCS提供的信號觸發(fā)形成脈沖高壓.觸發(fā)模式為下降沿觸發(fā).觸發(fā)信號與光譜儀的觸發(fā)信號同步,脈沖高壓延遲7 ms到達同軸DBD放電電極,這7 ms也就是同步脈沖產(chǎn)生高壓脈沖的時間.在脈沖高壓開始上升80 ns后放電產(chǎn)生,隨著電壓達到最大值再下降,維持200 ns的放電電流.

根據(jù)光譜儀的采集原理和高壓電源的放電原理,實驗設(shè)計了圖3所示的放電時序圖.MCS給光譜儀的高電平時間要至少保證光譜儀采集一次光譜,在下一個脈沖上升之前的時間,要保證光譜儀能夠?qū)?shù)據(jù)保存下來,這樣光譜儀才會對下一個脈沖上升沿響應(yīng). 在保證實驗所用光譜儀能夠采集單次的放電光譜,并儲存數(shù)據(jù)的情況下,高壓電源每隔40 ms放電一次.

圖3 放電時序Fig.3 Discharge time series

1.3 電子密度的計算

利用電流波形圖,圖4的t時間段,實驗計算放電一次的電荷,根據(jù)式(1)求得電荷.

(1)

假定放電電流為圓柱形,放電細絲的電流直徑d在100 μm左右[6],如圖5所示,根據(jù)電流直徑,計算放電的通道面積

(2)

電極距離(即包裹在最外層的銅片寬度)為L.假設(shè)電荷為通道中的等離子體,由1價離子和電子組成,電子的電荷量Qe為1.6×10-19C,可求得電子密度或離子密度.

(3)

圖4 電流Fig.4 Electricity

圖5 電極Fig.5 Electrode

2 結(jié)果與分析

2.1 單脈沖放電的電壓、電流特性分析

實驗通入的氬氣流量為1×10-3m3/min,單次放電,光譜儀的最小延時時間設(shè)置為2 μs,積分時間設(shè)置為12 ms,電極兩端的電壓及電流如圖6所示.由圖6可知,電流在-535 ns處達到最大值12.8 A,電壓在-465 ns處達到最大值30.8 kV,說明電極兩端電壓在沒達到最大值前就已經(jīng)開始放電.電極兩端的擊穿電壓大概在電流達到最大值處,易知為16.8 kV左右.電壓的上升時間在130 ns左右.

(a)電壓

(b) 電流圖6 放電電極兩端電壓以及通過負(fù)極的電流Fig.6 Discharge electrode voltage on both ends and the cathode electric current

DBD等效電路如圖7所示,由阻擋介質(zhì)等效電容Cd和氣隙等效電容Cg構(gòu)成.氣隙沒有擊穿時,Cd和Cg串聯(lián);氣隙擊穿后,相當(dāng)于在Cg并聯(lián)上了一個隨時間變化的等效電阻R(t).

圖7 DBD等效電路Fig.7 Equivalent circuit of DBD

在電極不放電時,利用ZL7型自動LCR測量儀測得的電容約為1.7 pF.電容器的絕緣介質(zhì)由兩層石英玻璃管和空氣組成.根據(jù)圓柱形電容的計算方法,放電電極(如圖2所示)的電容可以按照式(4)估算.

(4)

其中：εd為石英玻璃的介電常數(shù);εg為空氣的介電常數(shù);ra、rb、rc和rd為圖2中電極橫截面的各個半徑. 經(jīng)計算得出的內(nèi)層和外層石英玻璃等效電容串聯(lián)后的Cd為3.65 pF,氣隙的等效電容Cg為2.14 pF,兩者串聯(lián)后的等效電容約為1.35 pF.

根據(jù)DBD等效電路(如圖7),假如氣隙在一個周期里都不放電,氣隙電壓Ug和流過電路的模擬電流I分別為

(5)

(6)

氣隙電壓和模擬電流波形圖如圖8所示.

圖8 電壓和電流波形圖Fig.8 Waveforms of the gap voltage and the discharge current

氣隙在一個周期里有放電時，氣隙兩端電壓Ug和放電電流Ig分別為

(7)

(8)

其中：Ua和i分別為測得的電壓和電流值.計算出來的氣隙電壓如圖9所示.

圖9 電壓和電流波形Fig.9 Waveforms of the gap voltage and the discharge current

在DBD放電中,氣隙擊穿時,相當(dāng)于是對Cd充電,Ud迅速上升.氣隙電壓等于Ua減去Ud,Ug就會隨之下降,如圖9中t1時間段所示.當(dāng)氣隙電壓下降到不足以維持放電時,放電停止.在t1時間段內(nèi),當(dāng)施加在氣隙上的電壓大于擊穿電壓,放電的時間在20 ns左右時,放電的時間在10-8s級別,用湯生理論無法解釋,符合流光擊穿的特征.說明放電過程中有流光產(chǎn)生,這與實驗中觀察到的放電現(xiàn)象符合.對比圖8和9,發(fā)現(xiàn)在t2時間段內(nèi)的電流變化趨勢一致,說明t2時間段不存在放電現(xiàn)象,放電現(xiàn)象的發(fā)生只在t1時間段內(nèi),放電時間在20 ns左右,放電模式為介質(zhì)阻擋細絲放電模式.

2.2 放電電壓、氬氣流量對電子密度和光譜強度的 影響

在脈沖施加電壓為30.8 kV,氬氣流量為1×10-3m3/min,采集到的氬原子發(fā)射譜線光譜圖如圖10所示.

圖10 光譜圖(電壓30.8 kV,氬氣流量1×10-3m3/min)Fig.10 Spectral(Voltage 30.8 kV,the argon gas flow 1×10-3m3/min)

按照電子密度計算方法,取200 ns的放電時間,電流細絲直徑為100 μm,載入氣體氬氣的流量為1×10-3m3/min時,得到不同施加脈沖電壓下的電子密度或離子密度如圖11所示.

圖11 脈沖電壓對電子密度或離子密度和光譜強度的影響Fig.11 Effect of pulse voltage on the electron density and iron density

在圖11中,隨著脈沖電壓幅值的提高,電子密度或離子密度增大.電壓由20 kV增大為40 kV時,電子密度也由6.0×1017cm-3增大為1.2×1018cm-3左右.圖11中,還根據(jù)電壓的大小作出了每個施加脈沖電壓下的10次放電對應(yīng)的波長分別為763.498和772.332 nm平均光譜強度曲線.選取這兩條譜線,是因為它們不在同一能級,彼此孤立,激發(fā)過程已知,激發(fā)能近似相等,譜線的躍遷概率等不隨等離子體改變而變化[7].對比電子密度曲線和兩個波長曲線,發(fā)現(xiàn)隨著電子密度的增大,光譜強度也都在增強,增強的比例差不多.

按照電子密度計算方法,取200 ns的放電時間,電流細絲直徑為100 μm,施加電壓為30.8 kV,改變載入氣體氬氣的流量從3×10-4m3/min到1×10-3m3/min時,計算的電子密度在9.7×1017cm-3左右,如圖12所示.

圖12 不同氬氣流量的電子密度或離子密度與光譜強度的關(guān)系Fig.12 The relationship of spectral intensity and electron density or iron density with different argon’s flow volume

在圖12中,也作出了施加脈沖電壓不變,在每個氬氣流量放電10次對應(yīng)的波長為763.498和772.332 nm的平均光譜強度曲線.對比3條曲線發(fā)現(xiàn),氬氣流量很低時,隨著氬氣流量的提高,光譜強度顯著增強,電子密度卻不會變化.氬氣流量增加到7×10-4m4/min以后,光譜強度幾乎不變,電子密度也沒有變化.整個過程說明了電子密度的改變與光譜強度的改變沒有關(guān)系.

對比圖11和12可知:本實驗中,假設(shè)放電細絲直徑為100 μm,電荷為通道中的等離子體由帶1價離子和電子組成.通過改變脈沖施加電壓可以發(fā)現(xiàn)電子或離子密度發(fā)生變化,且電子濃度或離子濃度的變化與電壓的變化成正比的線性關(guān)系.改變載入氣體氬氣的流量,電子或離子的密度基本上不變.在氬氣流量不變時,光譜強度的變化與電子或離子的密度有關(guān),且成正比的關(guān)系.在施加脈沖電壓幅值不變時,光譜強度的變化與電子或離子的密度變化沒有關(guān)系,而與氬氣流量有關(guān).氬氣流量較低時,光譜強度隨著流量的增大而增強,當(dāng)氬氣流量增大到一定值時,光譜強度隨著氬氣流量的再次增大而增強的不夠明顯,不再成線性比例關(guān)系.

3 結(jié) 語

本文利用微控制器同步控制高壓脈沖電源和光譜儀，采集到了在最短時間40 ms內(nèi)放電10次的每次光譜圖，達到了以往光譜記錄方式所不能夠精確同步采集到單次放電的效果.利用示波器測量的單脈沖放電電壓和電流,計算了電子密度.根據(jù)實際測量的氣隙電容和裝置的物理結(jié)構(gòu)尺寸,利用DBD等效電路,分析了放電時間在20 ns左右,放電模式為介質(zhì)阻擋細絲放電. 采用定性變量法改變放電電壓和氬氣的流量得出,放電電壓的大小對電子密度和光譜線強度都有影響，氬氣的流量大小對電子密度和光譜線強度的影響較小.

[1] 江南.我國低溫等離子體研究進展[J].物理,2011,35(2):130139.

[2] PAI D Z,LACOSTE D A, LAUX C O. Nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmospheric pressure-the spark regime [J]. Plasma Sources Sci Technol,2010,19(6):6501565024.

[3] WALSH J, SHI J, KONG M. Contrasting characteristics of pulsed and sinusoidal cold atmospheric plasma jets [J]. Appl Phys Lett, 2006, 88(17): 171501171503.

[4] LU X,LAROUSSI M．Temporal and spatial emission behaviour of homogeneous dielectric barrier discharge driven by unipolar sub-microsecond square pulses[J]．Journal of Physics D：Applied Physics,2006,39(6)：11271131．

[5] 宗澤源.高壓納秒脈沖的形成及其大氣壓下放電特性的研究[D].上海：東華大學(xué)理學(xué)院,2014.

[6] CHINGSUNGNONE A, WILSON J I B, AMORNKITBAMRUNG V, et al. Spatially resolved atomic excitation temperatures in CH4/H2and C3H8/H2RF discharges by optical emission spectroscopy[J]. Plasma Sources Sci Technol,2007,16(3):434440.

[7] BRUGGEMAN P, BRANDENBURG R. Atmospheric pressure discharge filaments and microplasmas: Physics, chemistry and diagnostics[J]. Journal of Physics D: Applied Physics,2013，46(46):771780 .

Analysis on Discharge Process of DBD High Voltage Monopulse

CAOMan-hui,SHIYun-cheng

(College of Science, Donghua University, Shanghai 201620, China)

A microcontroller was used to synchronize high-voltage pulse discharge and spectral acquisition, and spectral characteristics of tubular dielectric barrier discharge (DBD) were obtained at 2040kV nanosecond monopulse discharge. By an oscilloscope Current and voltage characteristics of monopulse discharge were measured to calculate electronic density. The discharge mode and discharge characteristics were analyzed according to the actually measured gas gap capacitance and the physical dimension of the apparatus and using equivalent circuit of DBD. The results show that the magnitude of the discharge voltage has impact on the electron density and the intensity of spectral lines, and flow volume of carrier gas Ar has little effect on the electron density and the intensity of spectral lines.

dielectric barrier discharge (DBD)； monopulse discharge； synchronous； pectral acquisition

16710444 (2016)060931-06

20151130

曹滿輝(1989—)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為高壓脈沖電源. E-mail：1518281159@qq.com 施蕓城(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail：sycium@dhu.edu.cn

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