新型辉光放电装置设计与关键参数研究*

程 明, 俞建成, 张俊良, 吴焕铭

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

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新型辉光放电装置设计与关键参数研究*

程 明, 俞建成, 张俊良, 吴焕铭

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

基于针—网放电结构，设计了一种新型的辉光放电装置，并研究了放电针数量、针间距、放电间距和载气流速等因素对放电稳定性、起辉电压、放电功率及放电能量密度的影响。实验表明：载气流可带走放电产生的不均匀热量，使得放电更加稳定；电极间距越小，起辉电压越低，越容易向火花放电过渡；针间距越大，单针的放电功率也越大。放电能量密度不仅受针间距的影响，还受到放电针数量的影响。

辉光放电； 针—网结构； 等离子体； 放电功率； 能量密度

0 引 言

维持辉光放电并尽可能提高电离效率具有重要的意义[1～3]。近年来，放电条件如电源类型、电极间距、温度和载气流速等因素对放电特性的影响成为研究热点[4，5]。放电结构包括针—板[6]、针—柱[7]、针—弧面[8]等；电极材料包括不锈钢、铜、钨等。Cody R B等人[9]在针—板放电结构的基础上，发现通入一定的惰性气体，可以实现稳定的辉光放电；Akishev Y课题组[10]在针—板放电的结构基础上采用高压直流电源，降低了对电源的要求，简化了匹配电路；任春生课题组[11]在多针放电的基础上提出了加大电极间距放电，在击穿电压较高的情况下，可以有效抑制放电向火花过渡。辉光放电离子化效率是研究辉光放电离子源的关键，而离子化效率由放电结构和外部条件共同影响，所以,找到最佳的放电条件成为当务之急。

本文采用多针—网放电结构，阴极独立的放电针在辉光阶段时，单针产生的辉光区域逐渐扩大直至针与针之间的放电区域相互融合，形成一个整体的等离子区。阳极通透的网结构配合轴向气流在稳定辉光放电的同时能够节省载气的通入量。在该基础上通过控制变量法探究针的数量、电极间距和载气流速等因素对放电稳定性、起辉电压、放电功率和放电能量密度的影响，并测得该条件下起辉电压与针数量、电极间距的关系曲线及针间距对放电功率和放电能量密度的影响。

1 辉光放电原理

气体放电存在击穿临界值，称之为击穿电压[12]，当电极间的电压大于临界值，气体放电会由电晕放电进入辉光放电，此时放电电流持续增大，极间电压下降并逐渐保持稳定，这个状态称之为稳定的辉光放电。图1为常见的辉光放电装置结构。

在一定压强P和电极间距d下，气体放电满足帕邢定律，击穿电压U为压强和电极间距乘积的函数，满足式(1)

图1 辉光放电装置

(1)

式中A，B为常数；γ为一个正离子撞击阴极表面时，平均从阴极表面逸出的电子数目。

2 实验装置和探究方法

2.1 实验装置

搭建了图2(a)所示实验装置，包括载气入口、放电室、加热腔、等离子体导出等四部分。放电装置阴极由不锈钢针呈方形阵列式排布，每根针尾部串入3 mΩ的电阻，针长为5 cm，针尖半径为0.005 mm，阳极为半径40 mm的圆形钢网，针间距设置为3 mm，阳极网密度0.5 cm2/格，电极间距设置为4 mm。氮载气流速为180 mL/min，测试电阻为100Ω，电路原理如图2(b)所示。

测试仪器包括具有存储功能的数字示波器(Agilent MSO7032B)和示波器高压探头(Tektronix P6015A 75 MHz)，高压直流电源(0～20 kV)，数字万用表(Fluke117C)，数码照相机等。以下实验均设定载气流速为180 mL/min，实验温度25 ℃，空气相对湿度63 %RH。

图2 放电装置

2.2 起辉电压与针数量及电极间距

放电针数量分别取4,9,16针，排列方式如图3所示。

图3 多针电极排列方式示意

在以上3种电极基础上，每种电极排列分别选取放电间距为4，8，12，16 mm进行放电实验。

2.3 针间距与放电功率和放电能量密度

实验装置如图4所示，位于同一平面上的放电针组成高压电极，针间距a和放电间距d均可调。实验中，放电间距设置为8 mm，针间距起始距离为3 mm，每完成一组实验，针间距增加3 mm，直到针间距为15 mm。取9，16针重复实验，并记录实验过程中的电压和电流。

图4 测试装置示意

3 实验结果

3.1 起辉电压与针数量及电极间距的关系

图5(a)，(b)分别为电极间距为4 mm，无载气和载气流速为180 mL/min时的辉光放电。通过对辉光放电演化过程的观察，不管是否通入载气，随着外加电压的升高，放电最终都将由电晕阶段向辉光阶段过渡。但是否通入载气对辉光放电阶段的影响较大，无载气通入时，当外加电压为-3 kV时，发光区域主要存在于针尖和阴极附近，电极中间没有放电存在；通入载气时，当外加电压超过-3 kV时，放电区域会逐渐向阳极蔓延，最终形成圆锥形的放电区域。

图5 辉光放电实验现象

在辉光放电达到稳定，起辉电压与放电针数量和放电间距关系曲线如图6所示，不同的放电针在每一种间距下的起辉电压取3次测量的平均值，实验中每点的3次测量值波动范围不超过50 V，确保了实验的重复性良好。

图6 起辉电压与电极间距的关系曲线

从图6可以看出:起辉电压值随着放电间距的变大呈指数增长，随着电压的持续增加，当间距越大时，辉光放电向火花放电转换的难度也越大；相同放电间距时，针数量对起辉电压的影响值不大，当针数量越多，起辉电压出现小幅度的上升，说明多针构成的电场之间会相互影响，该复合场可抑制辉光放电。

3.2 针间距与放电功率和放电能量密度的关系

设置放电间距为8 mm，针数量为16，单针放电功率、放电能量密度和针间距的关系曲线如图7所示，3条曲线的放电电压依次为7，5，3 kV。

图7 放电参数与针间距的关系曲线

由图7(a)看出:当针间距减小时，单根放电针的功率下降，表示随着针间距减小，针与针之间的相互抑制作用越大，反之亦说明针间距较大时单针放电功率也相对较大，且在高压条件下，这种关系更加明显，当针间距达到9 mm时，单针的放电功率增长趋于平缓。图7(b)为放电能量密度与针间距的关系曲线，文中定义能量密度为单位体积内放电针产生的能量，J/m3。虽然减小针间距，单根针放电功率下降，但放电能量密度却大幅增加。这表示，提高针密度有助于放电能量密度的提高。实验过程中，虽然依靠减小针间距能够达到提高放电能量密度的效果，但随着针密度的增加，电极结构的复杂性与制造难度也会大幅提升，导致误差水平大幅增加。

4 结 论

根据探究不同条件下，放电针数量、针间距、放电间距和载气流速对放电稳定性、起辉电压、放电功率及放电能量密度的影响曲线，结果表明，通入载气后，独立的阴极针实现了稳定的大体积辉光放电。根据起辉电压与针数量和放电间距的曲线，表明：放电间距的增大会造成起辉电压升高，但大间距一定程度上抑制了辉光向火花放电过渡，针数量对起辉电压的影响不大；通过分析针间距与放电功率和放电能量密度曲线，表明：随着针间距的减小，单针的放电功率受到了抑制，但放电能量密度增加。因此，若提高多针—网辉光放电离子化效率，除了需要通入载气流，还应适当增加放电针的数量和增大放电间距，尽可能通过调节针间距平衡放电功率和放电能量密度。通过研究精确的放电条件，对于提高辉光放电离子化效率意义深远。

[1] Kogoma M,Okazaki S.Raising of ozone formation efficiency in a homogeneous glow discharge plasma at atmospheric pressure[J].Journal of Physics D：Applied Physics,1994,27(27):1985.

[2] Montie T C,Kelly-Wintenberg K,Reece Roth J.An overview of research using the one atmosphere uniform glow discharge plasma(OAUGDP)for sterilization of surfaces and materials[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2000,28(1):41-50.

[3] Okazaki S,Kogoma M,Uehara M,et al.Appearance of stable glow discharge in air,argon oxygen,and nitrogen at atmospheric pressure using 50 Hz source[J].Journal of Physics D：Applied Phy-sics,1998,26(5):889.

[4] Massines F,Rabehi A,Decomps P,et al.Experimental and theoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure controlled by dielectric barrier[J].Journal of Applied Physics,1998,83(6):2950-2957.

[5] 郭超群,陈耀彬,李玉凯,等.小间隙针—柱结构电晕放电和辉光放电实现离子风的特性[J].纳米技术与精密工程,2016,14(2):112-117.

[6] 杨 树,张零零,葛 辉,等.针对板正电晕放电电场强度及电流密度理论分析[J].中国科技论文,2010,5(5):377-381.

[7] 李 华,韦昌严,曾德查,等.针—柱结构敞开式离子源和微型气泵集成系统的放电特性[J].光学精密工程,2014,22(6):1531-1537.

[8] 张子生,谢 畅,葛鹏博,等.针弧面式高压放电电流特性实验研究[C]∥中国物理学会全国静电学术会议会议,2013.

[9] Cody R B,Laramée J A,Durst H D.Versatile new ion source for the analysis of materials in open air under ambient condi-tions[J].Analytical Chemistry,2005,77(8):2297-2302.

[10] Akishev Y,Grushin M,Kochetov I,et al.Negative corona, glow and spark discharges in ambient air and transitions between them[J].Plasma Sources Science & Technology,2005,14(2):S18-S25.

[11] 张禹涛,马腾才,任春生,等.空气中交流针—板大气压辉光放电[J].核聚变与等离子体物理,2006,26(4):323-326.

[12] 邵 涛,严 萍.大气压气体放电及其等离子体应用[M].北京：科学出版社,2015:67-98.

Design of novel glow discharge device and research on key parameters*

CHENG Ming, YU Jian-cheng, ZHANG Jun-liang, WU Huan-ming

(School of Information Science and Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Based on needle-mesh discharge structure,design a new kind of glow discharge device,and study on influence of pin number, pin spacing,discharge spacing and carrier gas flow rate and other factors on discharge stability,threshold voltage,power and power density.Experiments show that the heat can be carried out by the carrier air, which makes the discharge more stable.The smaller the electrode spacing is,the lower the threshold voltage is,the easier the transition to spark discharge;the greater the spacing of needles is,the greater discharge power of single needle is.Energy density of discharge is not only affected by spacing of needle,but also numbers of discharge needle.

glow discharge; needle-mesh structure; plasma; discharge power; energy density

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0022—03

2017—05—22

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

O 539

A

1000—9787(2017)09—0022—03

程 明(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为精密仪器。