DBD高压单脉冲放电过程分析

曹满辉，施芸城

(东华大学 理学院, 上海 201620)

DBD高压单脉冲放电过程分析

曹满辉，施芸城

(东华大学 理学院, 上海 201620)

利用微控制器同步高压脉冲放电和光谱采集,获得了管状介质阻挡放电(DBD)20～40kV纳秒单脉冲放电的光谱特性;并利用示波器测量了单脉冲放电的电流和电压特性,计算了电子密度.根据实际测量的气隙电容和装置的物理结构尺寸,利用DBD等效电路,分析了放电特性和放电模式.结果表明,放电电压的大小对电子密度和光谱线强度都有影响,载气Ar的流量大小对电子密度和光谱线强度的影响较小.

介质阻挡放电(DBD)； 单脉冲放电； 同步； 光谱采集

大气压脉冲介质阻挡放电(DBD)因其易于实现的放电环境和能够产生高密度的等离子体被人们广泛运用在医疗、材料处理、环境治理等领域[1].文献[2]研究了在1 000 K的空气中脉冲放电模式,得出放电存在3种模式:电晕、火花和类辉光.文献[3]对脉冲和正弦模式的射流进行对比,研究了脉冲的电压对DBD的影响.文献[4]采用10 kV的脉冲放电,通过高速摄影对放电模式进行了分类.

通常借用积分光谱仪来测量大气压氩气DBD的发射光谱.测量的方式是保持电源不停地放电,光谱仪采集一段时间的光谱.但是电源不停地重复放电后,采用通常的光谱采集方式是不能够判断外界条件的改变对每一次放电的影响是否一致,有哪些不同.通过采集单次放电的光谱,比较每一次放电的光谱变化,就能够判断在外界的条件改变后,对每一次放电的影响效果是否一致.本文将同步采集单次放电的光谱作为大气压脉冲DBD的光谱采集方式,并结合装置的物理结构尺寸等对单次放电电压和电流特性展开了讨论和研究.

1 实验过程

1.1 实验装置

实验装置示意图如图1所示,由高压脉冲电源、同轴圆心电极、聚光系统、光谱仪以及微控制器(MCS)等构成.高压脉冲电源[5]通过磁开关方式提供纳秒上升沿的高压脉冲,放电电压为0～40 kV,上升沿约为130 ns,主脉冲宽度为350 ns.放电电极为DBD形式，它由两根石英管组成两个分割的腔体,如图2所示.外石英管的外径为8.4 mm,内径为6.4 mm.在外石英管外包裹一圈宽度为16.2 mm的铜片,作为放电电极的负极;内石英管的外径为4.2 mm,内

径为2.2 mm.内石英管一端被烧结而封闭,与外石英管内腔空间隔离.内石英管中插入铜棒,为放电电极的正极.聚光系统由直径为38 mm,焦距为140 mm的凸透镜组成.采用AvaSpec-USB2型双通道光谱仪采集光谱,采集的波长范围为550～950 nm,光纤接头为SMA 905型,数值孔径为3.17 mm.

图1 实验装置Fig.1 Experimental facility

图2 DBD放电电极结构Fig.2 Structure of DBD discharge electrode

1.2 光谱采集和脉冲放电的同步

实验由微控制器MCS来提供脉冲放电电源和光谱仪同步工作的信号，同时MCS也是脉冲高压源的控制系统.光谱仪可以由外部触发来启动和停止光谱的采集过程.触发模式为上升沿触发.首先,在给光谱仪一个脉冲信号后,光谱仪需要一个延时时间后才开始采集光谱,采集光谱的时间为积分时间,然后，光谱仪将采集到的光谱数据保存在PC机中,只有当延时时间、积分时间和储存数据的时间完成后,光谱仪才会对下一个脉冲上升信号响应.

脉冲高压电源也是由MCS提供的信号触发形成脉冲高压.触发模式为下降沿触发.触发信号与光谱仪的触发信号同步,脉冲高压延迟7 ms到达同轴DBD放电电极,这7 ms也就是同步脉冲产生高压脉冲的时间.在脉冲高压开始上升80 ns后放电产生,随着电压达到最大值再下降,维持200 ns的放电电流.

根据光谱仪的采集原理和高压电源的放电原理,实验设计了图3所示的放电时序图.MCS给光谱仪的高电平时间要至少保证光谱仪采集一次光谱,在下一个脉冲上升之前的时间,要保证光谱仪能够将数据保存下来,这样光谱仪才会对下一个脉冲上升沿响应. 在保证实验所用光谱仪能够采集单次的放电光谱,并储存数据的情况下,高压电源每隔40 ms放电一次.

图3 放电时序Fig.3 Discharge time series

1.3 电子密度的计算

利用电流波形图,图4的t时间段,实验计算放电一次的电荷,根据式(1)求得电荷.

(1)

假定放电电流为圆柱形,放电细丝的电流直径d在100 μm左右[6],如图5所示,根据电流直径,计算放电的通道面积

(2)

电极距离(即包裹在最外层的铜片宽度)为L.假设电荷为通道中的等离子体,由1价离子和电子组成,电子的电荷量Qe为1.6×10-19C,可求得电子密度或离子密度.

(3)

图4 电流Fig.4 Electricity

图5 电极Fig.5 Electrode

2 结果与分析

2.1 单脉冲放电的电压、电流特性分析

实验通入的氩气流量为1×10-3m3/min,单次放电,光谱仪的最小延时时间设置为2 μs,积分时间设置为12 ms,电极两端的电压及电流如图6所示.由图6可知,电流在-535 ns处达到最大值12.8 A,电压在-465 ns处达到最大值30.8 kV,说明电极两端电压在没达到最大值前就已经开始放电.电极两端的击穿电压大概在电流达到最大值处,易知为16.8 kV左右.电压的上升时间在130 ns左右.

(a)电压

(b) 电流图6 放电电极两端电压以及通过负极的电流Fig.6 Discharge electrode voltage on both ends and the cathode electric current

DBD等效电路如图7所示,由阻挡介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg构成.气隙没有击穿时,Cd和Cg串联;气隙击穿后,相当于在Cg并联上了一个随时间变化的等效电阻R(t).

图7 DBD等效电路Fig.7 Equivalent circuit of DBD

在电极不放电时,利用ZL7型自动LCR测量仪测得的电容约为1.7 pF.电容器的绝缘介质由两层石英玻璃管和空气组成.根据圆柱形电容的计算方法,放电电极(如图2所示)的电容可以按照式(4)估算.

(4)

其中：εd为石英玻璃的介电常数;εg为空气的介电常数;ra、rb、rc和rd为图2中电极横截面的各个半径. 经计算得出的内层和外层石英玻璃等效电容串联后的Cd为3.65 pF,气隙的等效电容Cg为2.14 pF,两者串联后的等效电容约为1.35 pF.

根据DBD等效电路(如图7),假如气隙在一个周期里都不放电,气隙电压Ug和流过电路的模拟电流I分别为

(5)

(6)

气隙电压和模拟电流波形图如图8所示.

图8 电压和电流波形图Fig.8 Waveforms of the gap voltage and the discharge current

气隙在一个周期里有放电时，气隙两端电压Ug和放电电流Ig分别为

(7)

(8)

其中：Ua和i分别为测得的电压和电流值.计算出来的气隙电压如图9所示.

图9 电压和电流波形Fig.9 Waveforms of the gap voltage and the discharge current

在DBD放电中,气隙击穿时,相当于是对Cd充电,Ud迅速上升.气隙电压等于Ua减去Ud,Ug就会随之下降,如图9中t1时间段所示.当气隙电压下降到不足以维持放电时,放电停止.在t1时间段内,当施加在气隙上的电压大于击穿电压,放电的时间在20 ns左右时,放电的时间在10-8s级别,用汤生理论无法解释,符合流光击穿的特征.说明放电过程中有流光产生,这与实验中观察到的放电现象符合.对比图8和9,发现在t2时间段内的电流变化趋势一致,说明t2时间段不存在放电现象,放电现象的发生只在t1时间段内,放电时间在20 ns左右,放电模式为介质阻挡细丝放电模式.

2.2 放电电压、氩气流量对电子密度和光谱强度的 影响

在脉冲施加电压为30.8 kV,氩气流量为1×10-3m3/min,采集到的氩原子发射谱线光谱图如图10所示.

图10 光谱图(电压30.8 kV,氩气流量1×10-3m3/min)Fig.10 Spectral(Voltage 30.8 kV,the argon gas flow 1×10-3m3/min)

按照电子密度计算方法,取200 ns的放电时间,电流细丝直径为100 μm,载入气体氩气的流量为1×10-3m3/min时,得到不同施加脉冲电压下的电子密度或离子密度如图11所示.

图11 脉冲电压对电子密度或离子密度和光谱强度的影响Fig.11 Effect of pulse voltage on the electron density and iron density

在图11中,随着脉冲电压幅值的提高,电子密度或离子密度增大.电压由20 kV增大为40 kV时,电子密度也由6.0×1017cm-3增大为1.2×1018cm-3左右.图11中,还根据电压的大小作出了每个施加脉冲电压下的10次放电对应的波长分别为763.498和772.332 nm平均光谱强度曲线.选取这两条谱线,是因为它们不在同一能级,彼此孤立,激发过程已知,激发能近似相等,谱线的跃迁概率等不随等离子体改变而变化[7].对比电子密度曲线和两个波长曲线,发现随着电子密度的增大,光谱强度也都在增强,增强的比例差不多.

按照电子密度计算方法,取200 ns的放电时间,电流细丝直径为100 μm,施加电压为30.8 kV,改变载入气体氩气的流量从3×10-4m3/min到1×10-3m3/min时,计算的电子密度在9.7×1017cm-3左右,如图12所示.

图12 不同氩气流量的电子密度或离子密度与光谱强度的关系Fig.12 The relationship of spectral intensity and electron density or iron density with different argon’s flow volume

在图12中,也作出了施加脉冲电压不变,在每个氩气流量放电10次对应的波长为763.498和772.332 nm的平均光谱强度曲线.对比3条曲线发现,氩气流量很低时,随着氩气流量的提高,光谱强度显著增强,电子密度却不会变化.氩气流量增加到7×10-4m4/min以后,光谱强度几乎不变,电子密度也没有变化.整个过程说明了电子密度的改变与光谱强度的改变没有关系.

对比图11和12可知:本实验中,假设放电细丝直径为100 μm,电荷为通道中的等离子体由带1价离子和电子组成.通过改变脉冲施加电压可以发现电子或离子密度发生变化,且电子浓度或离子浓度的变化与电压的变化成正比的线性关系.改变载入气体氩气的流量,电子或离子的密度基本上不变.在氩气流量不变时,光谱强度的变化与电子或离子的密度有关,且成正比的关系.在施加脉冲电压幅值不变时,光谱强度的变化与电子或离子的密度变化没有关系,而与氩气流量有关.氩气流量较低时,光谱强度随着流量的增大而增强,当氩气流量增大到一定值时,光谱强度随着氩气流量的再次增大而增强的不够明显,不再成线性比例关系.

3 结 语

本文利用微控制器同步控制高压脉冲电源和光谱仪，采集到了在最短时间40 ms内放电10次的每次光谱图，达到了以往光谱记录方式所不能够精确同步采集到单次放电的效果.利用示波器测量的单脉冲放电电压和电流,计算了电子密度.根据实际测量的气隙电容和装置的物理结构尺寸,利用DBD等效电路,分析了放电时间在20 ns左右,放电模式为介质阻挡细丝放电. 采用定性变量法改变放电电压和氩气的流量得出,放电电压的大小对电子密度和光谱线强度都有影响，氩气的流量大小对电子密度和光谱线强度的影响较小.

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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

曹满辉(1989—)，男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为高压脉冲电源. E-mail：1518281159@qq.com 施芸城(联系人)，男，副教授，E-mail：sycium@dhu.edu.cn

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