同轴介质阻挡放电功率和等效电容特性研究*

刘 勇， 俞建成， 张俊良， 吴焕铭， 高文清

(宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)



同轴介质阻挡放电功率和等效电容特性研究*

刘 勇， 俞建成， 张俊良， 吴焕铭， 高文清

(宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)

以同轴—针放电结构为研究基础，采用Lissajous图像法，研究了介质阻挡放电管径、载气流速变化对放电功率和介质等效电容的影响关系；设计了正交实验，进一步研究载气流速和放电管径对周期传输电荷量显著性影响的大小。研究结果表明:随着载气速度的提升，放电功率和介质等效电容都呈减小趋势；随着放电管径的增大，介质等效电容减小。正交实验中，管径的F值为22.15，相比载气流速对传输电荷量的影响更加显著。

同轴—针； 介质阻挡放电；传输电荷量； Lissajous图形； 等效电容

0 引 言

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)是在常温常压下产生低温等离子体的主要快捷手段之一[1,2]，可应用于合成新物质等多种工业领域，前景广阔[3,4]。近年来，研究放电条件诸如气隙间距、气流等因素影响放电特性的机制成为了热点研究领域[5,6]。王新新等人[7]研究了介质阻挡放电模式指出，在外加交流电压的半个周期内，只有一个脉冲电流是均匀放电的必要不充分条件；在不同条件下等效电容的变化规律能反映放电状态，这对提高放电效率具有重大意义[8]。张新荣指出DBD的离子化效率是离子源灵敏度关键技术[9]，而放电通道电荷传输量的大小与离子化效率息息相关[10]。

本文选取同轴—针结构，具有放电功率较大，运行电压和起始放电电压低，周期传输电荷量大的特点[1]，介质材料选取玻璃管，结合了Lissajous图形方法，探究了介质阻挡材料玻璃管管径大小与氮气流速对介质等效电容和放电功率的关系，设计了正交实验，探究管径和气流大小对周期传输电荷量的显著性影响，并对结果进行了分析。

1 DBD放电原理

当DBD进行放电时，在电极两端施加交流电压，气隙中的场强达到一定阈值时，由于电子雪崩，空间中的电荷开始增加并向两极移动[11]，气体被电离后，在外加驱动电源产生的电场作用下，产生的电荷移动到介质表面并且聚集，产生了一个与外加电场反相的附加电场，在电荷的积聚量增多的情况下，附加电场的场强也随之增强，对外加电场的抵消作用变大，这时气隙中总场强减小，当气隙中的总场强无法达到阈值放电电压时，放电熄灭。图1为介质阻挡放电容器等效电路[7]。

图1 放电容器等效电路

气体放电前，DBD放电电路相当于阻挡气隙电容Cg和介质等效电容Cd串联；气体放电后等效于开关闭合，Cg并联上了一个与时间有关的电阻R(t)，明显地，气隙上的电压Ug可由式(1)表示

(1)

式中Ua和Ud分别为外加电压和阻挡介质电压，放电时，放电电流i上升，介质电压Ud也立即随之上升，从而Ug减小，放电停止，最终完成了DBD放电。

2 实验装置与实验方法

2.1 实验装置

如图2所示，线圈L2左边部分为高压驱动电源交流电产生部分，由电阻器R1,R2,单向可控硅VS，线圈L1，二极管VD和可变正弦交流电源组成，右边为R3,R4分压电阻器，放电空间传输的电荷通过在放电回路串联一个4 700 pF电容器C2间接获得，放电针的一端接高压输出正极，放置于玻璃管轴中心，玻璃管的长度为10 cm，内径大小有4～11 mm几种，厚度均为0.5 mm，玻璃管外包裹铜网，网密度为0.5 cm2/格。作为另一放电极，示波器和高压探头(Tektronix厂家生产，型号为P6015A)观测放电电压波形。

图2 DBD实验电路连接

2.2 Lissajous图形法

放电的过程可视为电容器的充放电过程，当反应器的电压Up和电容器两端电压Um分别加在示波器的Y-X轴上，波形为封闭的平行四边形，因串联电容器C2两端电压Um与放电空间所传输电荷量Qm成正比,可得如图3所示的Q—VLissajous图形，其中，线段BC，DA对应放电阶段，电源向固体介质等效电容Cd充电，这时回路当中还没有Cg，而AB，CD线段两边对应放电截止阶段，此时电源向总电容C(Cg和Cd串联)进行充电，因此，BC，DA线段斜率的倒数为反应器放电时的等效电容Cd，反应器的总电容C则是线段AB，CD的斜率的倒数，各电容的值则可通过式(2)～式(4)计算

Cd=dQ/dU=C2dUm/dUp

(2)

(3)

(4)

Lissajous图形围成的面积S可用于计算放电功率P或能量W[12]，即

(5)

P=F1W=F1S

(6)

式中 F1为放电频率；S为图形包围面积。

图3 Q-V Lissajous图像

2.3 正交实验设计

在同轴—针电极结构中，较低电压时首先产生电晕放电，随着电压的逐渐升高，慢慢转变成丝光放电。为明确管径大小和气体流速大小对整个反应容器转移电荷数量的显著性影响，分别设计了大小为4，6，7，11mm的放电管径，流速为0.05，0.10，0.15，0.21L/min氮气进行实验。

3 实验结果

3.1 不同条件下的放电电容特性曲线

图4给出了管径分别为5，7，9mm的玻璃管介质，气体流速为0.05～0.23L/min范围时，介质等效电容Cd的变化趋势。显然，随着管径的增大，Cd减小，且在同样气体流速下，随着管径的增大，Cd同样减小，当气体流速为0.05L/min，管径大小为5mm时，Cd取得最大值138pF,在此流速下，管径为9mm时，Cd为126pF，而流速到达0.21L/min时，Cd降低至103.2pF。

图4 载气流速对介质等效电容Cd的影响

对于不同管径下的Cd与流速的关系曲线可知在DBD的放电等效电路中，Cd为与介质厚度H、介电常数ε以及介质有效正对面积有关[13]，即

Cd∝Kε/H

(7)

式中 K与电场强度有关，当管径一定时，根据气流影响电路谐振特性的规律，快速气流带走的过多热能对放电空间起到一定的冷却作用，外加气流流速从0L/min开始增大，放电功率降低，即DBD放电减弱，介质有效的正对面积也减小，其放电空间内丝状通道的数目开始相应地减少,从而Cd减小。

3.2 不同气体流速下的功率特性

如图5所示，实验放电管径为4mm，驱动电源幅值为11kV，频率为50Hz，载气流速分别为0,1.66，10L/min时，实验得到的Lissajous图形形状规则，近似理想的平行四边形，显然，随着气流速度的增加，图形所围成面积减少，图中气体流速为10L/min图形面积显然最少，即功率最小，因快速的气流带走热量，使得功率降低。

图5 不同载气流速下放电Lissajous图形

3.3 正交实验结果

选取正交设计表L16(42)正交表实验，如表1，管径大小R和载气流速V作为因素变量，这2种因素均具有4个水平，R的大小分别为4，6，7，11mm，V的大小分别为0.5，0.10，0.15，0.21L/min。方差分析如表2所示。

表1 L16 (42)正交设计

Kj为该因素在j水平下实验结果之和；f′为自由度；S′为因素的离差平方和；MS=S′/f′；F为因素的MS项与误差项MS的比值。根据查表有：F0.01(3,9)=6.99，F0.05(3,9)=3.63，F0.1(3,9)=2.81。

在正交实验中，F值越大则对周期传输电荷量的影响对应也越显著。F0.01>F>F0.1时，该因素影响显著；F>F0.01时，该因素影响特别显著。通过与F分布临界值相对比发现,管径R的F=22.15，大于临界值F0.01，为特别显著的因素，而通过对比载气流速的F临界值发现，此2种因素间管径为更加显著因素，在本文实验中，以传输电荷量为目标，可以看出最佳的管径和载气流速分别为11 mm，0.05 L/min。

表2 方差分析表

4 结果讨论

随着载气流速增加，丝状放电结构减小，使得放电强度减弱，导致与电场强度有关的K减小，即Cd减小，斜率KAB增加，与图5的Lissajous图像结论一致。为了进一步证明图形的正确性，根据表1中的电容电压UC2(电荷量与电容的比值)数据分析，得到图6，电容C2电压值随流速的增大而减小，而电容C2转移电荷量Q正比于电压UC2，所以，Q减小，根据DBD谐振特性，在此频率下，发生器负载电压U随气流速度增大而增大，即总电容C=Q/U的值下降，这与图5所得的斜率信息一致，在表1中，不难看出，当管径一定时，载气流速增加后，转移电荷量减少，正如Lissajous面积图像对应的规律，随着载气流速的增加，放电功率减小。除此之外，还可以推论在相同载气流速下，不同外加电源电压放电功率，由放电功率理论知

(8)

式中Up为驱动电源电压的幅值；Umin为维持放电的阈值电压。当载气流速、介质材料和驱动电压频率一定时，总电容随外加电压增大而增大的，即增大Up则会使得功率P增大。根据实验，还可猜测气隙等效电容在载气流速的情况下呈减小趋势。

图6 气流速度对电容C2两端电压的影响

5 结 论

根据不同条件下放电电容特性曲线分析结果，介质等效电容Cd随载气流速的增大而减小，并通过了Lissajous图形方法功率特性的研究和公式推导进行了进一步的证明；根据不同载气流速下的功率特性图分析，表明了放电功率P随载气流速的增加而减小，本文还推导出了放电功率P随放电驱动电压的增大而增大；通过电荷的转移数量实验研究，本文设计的正交实验表明了放电管径比载气流速对放电特性的影响相对要大，同时得到了最佳的转移电荷量的实验参数；DBD工作效率的提高可通过尽量选用更高的放电驱动电源或者减小载气的流速实现；对于同轴介质阻挡放电的研究，未来的研究方向还可以从电介质系数、针尖曲率、载气种类对放电功率影响的机理方面进行研究； 准确的研究介质等效电容和电荷转移尤其对于离子源的离子化效率理解具有巨大意义。

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Research on power and equivalent capacitance characteristics of coaxial dielectric barrier discharge*

LIU Yong， YU Jian-cheng， ZHANG Jun-liang， WU Huan-ming， GAO Wen-qing

(Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Based on needle-to-cylinder discharge structure，use Lissajous method,influences of the dielectric barrier discharge diameter and the flow velocity of carry gas change on the changing of discharge power and equivalent capacitances of dielectric are studied; an orthogonal experiment is designed,in order to study significant influence of flow velocity of carrier gas and discharge diameter on periodically transmitted charge.The results show that discharge power and equivalent capacitances of dielectric tend to decrease with the increasing of the flow velocity of carrier gas; with the increase of discharge diameter,the equivalent capacitance of dielectric decreases.In the orthogonal test,theFvalue of the tube size is 22.15,which means flow veloctiy of carrier gas has more significant influence on transfmitted charge.

cylinder-needle;dielectric barrier discharge; transmitted charge quantity; Lissajous graph; equivalent capacitance

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0045—04

2017—06—27

国家自然科学基金资助项目(61501273，11504189)；浙江省自然科学基金资助项目(LY16B050002)；宁波大学王宽诚幸福基金资助项目

TM 215

A

1000—9787(2017)08—0045—04

刘 勇(1993- )，男，硕士，主要研究方向为精密仪器，E—mail：1511082714@nbu.edu.cn。