大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究-论文.pdf

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1、第２６卷第４期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４２０１４年４月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｐｒ．，２０１４大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究章程１，２，顾建伟１，３，邵涛１，２，马浩１，３，严萍１，２，４，杨文晋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．中国科学院大学，北京１０００３９；４．电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学），西安７１００４９）摘要：利用上升沿１００ｎｓ、脉宽１５０ｎｓ的单级磁压缩纳秒脉冲电源，通过电压电流测量和放电图像拍摄实

2、验，研究了大气压空气中极不均匀电场结构重复频率纳秒脉冲气体放电的放电模式。结果表明纳秒脉冲气体放电存在三种典型的放电模式：电晕放电、弥散放电和火花放电。施加的脉冲电压幅值对放电模式影响显著，随着电压幅值的增加，放电依次经历电晕、弥散和火花放电。固定电压幅值时，放电可能同时存在两种模式。重复频率加强了放电强度，弥散放电的激发电压随重复频率的增加变化不大，但火花放电的激发电压随着重复频率的增加而降低。因此降低重复频率有利于在较大电压范围获得大气压空气弥散放电。关键词：纳秒脉冲；大气压空气；放电模式；弥散放电；重复频率中图分类号：ＴＭ８９；ＴＭ２１３文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．１１

3、８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０４５０２９［１３］气体放电作为产生等离子体的有效方式之一，相关理论及技术应用的研究受到了持续关注。２０世纪以来，放电等离子体主要在低气压条件下产生，往往需要真空设备，无法实现连续化处理。大气压等离子体由于能够在常温常压下产生，且电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，同时反应体系接近室温，［４８］近年来应用广泛。产生大气压等离子体的常见放电模式有电晕放电、似辉光放电、介质阻挡放电（ＤＢＤ）、脉［９］冲流注放电和弥散放电等。如何能使大气压等离子体兼具低气压等离子体均匀和稳定的特点成为研究热［１０１５］［１０］点。研究人员采用不同

4、方式以获得较为均匀的大气压等离子体。邵涛等采用上升沿１５ｎｓ、脉宽３０～４０ｎｓ的脉冲电源激励大气压空气ＤＢＤ，通过２ｎｓ曝光时间的高速摄影相机验证了１ｍｍ气隙下放电是均匀［１２］的。Ｔａｒｄｉｖｅａｕ等研究了不同脉冲上升时间、电压幅值对放电的影响，结果表明似均匀的弥散放电能够在脉［１３］冲上升时间远小于空气场致电离时间条件下获得。Ｐａｉ等研究了重复频率纳秒脉冲气体放电的模式，在加热至１０００Ｋ的空气中获得了似电晕、似辉光和丝状放电，其中似辉光放电起始于流注，电流在Ａ量级，最大粒子密度可达１０１３－３。Ｋｏｒｏｌｅｖ等［１５］研究了大气压流动空气中的滑移放电特性，结果表明放电

5、表现为电极最ｃｍ窄处的火花放电，并转变为辉光放电。可见，为了在大气压下获得较为稳定的均匀等离子体，研究人员从反应条件、电极结构和气体种类等方面进行设计，采用加热气体、惰性气体、预电离、快脉冲激励和极不均匀电极结构避免放电过渡到火花放电。近年来，本课题组研究报道了利用上升沿２５ｎｓ、脉宽４０ｎｓ的重复频率纳秒脉［１６２０］冲激励常压空气弥散放电的结果，对弥散放电的电气特性、发光图像和Ｘ射线辐射进行了研究。但是弥散放电受重复频率和气隙距离等实验条件影响显著，一些特性尚未明了。本文深入研究纳秒脉冲气体放电的放电模式，对重复频率对放电模式的影响进行了实验研究。１实验装置实验是在敞开

6、的空气环境下进行的，实验温度为２０℃左右，气压为９８ｋＰａ。所建立的实验装置示意图如图１所示。放电采用实验室研制的重复频率纳秒脉冲电源ＭＰＣ３０Ｌ激励，该电源基于单级磁压缩系统，输出的脉冲上升时间为１００ｎｓ，脉宽为１５０ｎｓ，脉冲重复频率（ＰＲＦ）为１～１０００Ｈｚ连续可调，输出电压范围为０～３０ｋＶ。其开启、关停及重复频率的调节均通过脉冲触发器ＰＧＦ１控制。实验中采用针板电极结构，高压电极采用直径１ｍｍ的铜针，其长度为４０ｍｍ。接地电极采用面积１００ｍｍ×１００ｍｍ的ＩＴＯ玻璃，其厚度为２，透光率大于８５％。实验时针板电极固定在滑轨上，铜针针尖与ＩＴＯ玻璃在１．８

7、ｍｍ，面电阻为１２．８Ω／ｃｍ同一水平面，两者之间距离定义为本实验中的气隙距离。收稿日期：２０１４０１０３；修订日期：２０１４０１２０基金项目：国家自然科学基金项目（５１２０７１５４，５１２２２７０１）；国家重点基础研究发展计划项目（２０１４ＣＢ２３９５０５）；电力设备电气绝缘国家重点实验室开放基金项目（ＥＩＰＥ１２２０４）作者简介：章程（１９８２—），男，博士，副研究员，研究方向为放电等离子体应用；ｚｈａｎｇｃｈｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：邵涛（１９７７—），男，博士，研