纳秒脉冲放电等离子体射流特性

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1、第２４卷第３期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．３２０１２年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１２文章编号：１００１－４３２２（２０１２）０３－０６１７－０４＊纳秒脉冲放电等离子体射流特性牛铮１，邵涛１，２，章程１，２，方志３，李春霞４，张东东１，２，严萍１，２（１．中国科学院电工研究所，北京１００１９０；２．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京１００１９０；３．南京工业大学自动化与电气工程学院，南京２１０００９；４．中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：采用单针式电极，使用单极性重复频率脉冲电源，在常压

2、氦气、氩气、氮气和空气中得到等离子体射流，并改变电压、流量和气体种类，分别观察不同的实验条件对等离子体射流的影响。实验结果表明：射流长度随施加电压的增加而增长；随着流量的连续变化，射流长度先逐渐变长，达到峰值后由于湍流影响，长度又逐渐缩短，达到一定流量后趋于饱和。此外，不同工作气体中的等离子体射流呈现截然不同的外观，氦气和氩气中射流呈针状模式，长度可达７ｃｍ以上；而在氮气和空气中，射流呈现为长度不超过２ｃｍ的刷状模式。关键词：纳秒脉冲；大气压等离子体射流；多种气体；射流长度；射流外观中图分类号：ＴＭ８９；ＴＭ２１３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１２２４０３．０

3、６１７目前，大气压低温等离子体被广泛应用于臭氧形成、废气处理、等离子体辅助燃烧、表面改性、医用灭菌等［１－１０］领域。传统方法通过介质阻挡放电在大气中产生低温等离子体，但由于其反应腔太过狭窄，而且插入的处理媒介也可能会影响等离子体的稳定性，因此限制了其进一步的应用。大气压等离子体射流具有一定的长度，将等离子体反应区域和放电区域相分离，能够实现等离子体远距离以及对复杂形状的处理，因此具有良好的发［３，１１－１３］展前景。根据激励源、放电结构、工作气体等条件的不同，等离子体射流可以呈现很多不同的类型。［１４－１５］Ｌａｒｏｕｓｓｉ等多年以来对等离子体射流的形成和传播机制进行了深入研究。

4、卢新培等使用光谱和高速摄影［３，９，１６］等测量手段研究等离子体射流，并在灭菌等应用领域开展了一系列实验。蒲以康等从气体动力学及亚稳［１７－１８］态电离过程的角度，阐述了电压、流量等参数对射流外形特征的影响机制。一般来说，射流较容易在惰性气体中产生，例如氦气和氩气。如果能在空气中产生稳定的射流，对于工业应用来说就更加具有优势。本文中，使用氦气、氩气、氮气（纯度均为９９．９９９％）和空气（从周围大气中抽取），通过纳秒脉冲电源激励得到了大气压等离子体射流，并在不同的实验条件下对其电气特性及外观特征进行了研究。１实验装置本文所采用的实验装置如图１所示。激励源采用两［１９］种磁脉冲压缩电源

5、，其中单级磁脉冲压缩电源产生的脉冲电压为３０ｋＶ范围内连续可调，脉冲上升沿４０ｎｓ，［２０］半高宽７０ｎｓ；两级磁脉冲压缩电源产生脉冲电压可达５０ｋＶ，上升沿２５ｎｓ，持续时间４０ｎｓ。本文中所有电压－电流实验均采用单级磁脉冲压缩电源激励，电压－流量实验采用两级磁脉冲压缩电源激励。脉冲重复频率由触发器在１ｋＨｚ范围内调节。放电采用的单针电极结构与文献［１６，２０］使用的电Ｆｉｇ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｌａｓｍａｊｅｔｓ极类似，铜针电极固定在三通玻璃管中部。本文分别采图１大气压等离子体射流实验装置用了两种尺寸的玻璃管，一种外径

6、１０ｍｍ、内径７ｍｍ保持不变；另一种外径６ｍｍ，内径４ｍｍ，带有类似于注射器的收缩喷口，喷口直径１．５ｍｍ。工作气体的流量由转子流量计控制。电压测量采用ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＰ６０１５高压探头，电流测量采用ＰｅａｒｓｏｎＭｏｄｅｌ４１００，线圈固定在玻璃管外围。＊收稿日期：２０１１－１１－０１；修订日期：２０１１－１２－０３基金项目：国家自然科学基金项目（１１０７６０２６，５０９０７０６８）；高分子材料工程国家重点实验室开放课题（ＫＦ２０１１０３）作者简介：牛铮（１９８７—），男，博士研究生，研究方向为高电压脉冲放电应用；ｎｉｕｚｈｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：邵涛（

7、１９７７—），男，博士，副研究员，研究方向为高电压技术、脉冲功率技术和放电等离子体应用等；ｓｔ＠ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎ。６１８强激光与粒子束第２４卷记录信号采用ＬｅｃｒｏｙＷＲ２０４Ｘｉ示波器，带宽２ＧＨｚ，采样频率为１０１０／ｓ。实验观测图像由ＣａｎｏｎＥＯＳ５００Ｄ数码相机拍摄，镜头使用ＴａｍｒｏｎＬｅｎｓ（ＭｏｄｅｌＡ００１）。２实验结果与分析２．１电气特性图２所示为氦气等离子体射流的电压、电流特性曲线。采用外径１０ｍｍ、内径７ｍｍ的玻璃管，铜针电极直径２