CN104853513B - 一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法，属于新材料合成、表面工程和高电压放电领域。其特征涉及实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和相应方法，涉及电极的放电间隙气流流速、专用于产生介质阻挡放电的放电间距，和产生介质阻挡放电的谐振电源谐振频率或脉冲电源的脉冲频率的参数。实现大面积均匀介质阻挡放电的过程中气流的流速、放电间隙的距离以及谐振电源的频率之间的关系符合优化关系，相应的放电装置上安装与上述技术条件相匹配的部件。本发明的效果经济性好，通用性强，操作简单，容易实现大面积均匀介质阻挡放电。克服了现有介质阻挡放电实现大规模均匀性的效率低，设备昂贵，操作复杂等缺点。
Description
技术领域
本发明属于新材料合成、表面工程和高电压放电领域，旨在提高介质阻挡放电效率和均匀性的技术领域，涉及到一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法，特别涉及到实现均匀介质阻挡放电装置和方法的关键条件和实现方案—电源谐振频率、放电间隙与气流流速之间应满足的关系。
背景技术
在大气压或较高气压条件下的介质阻挡放电(DBD)中，电极之间的绝缘介质可以抑制电流增长从而获得低功耗、非平衡等离子体。绝大多数条件下，DBD表现为微流光丝状放电模式。在微流光放电的电极间隙中，发生的快脉冲放电产生大量短寿命活性物种(离子、自由基、激发态原子和分子)。DBD等离子体的这类化学活性已被广泛应用于材料表面改性、污染物控制与脱除、医学杀菌等领域，但是丝状放电的不均匀性限制了DBD的进一步推广应用。为了提高DBD放电效率和均匀性，可以采用以下方法
(1)采用惰性气体。如纯He气或富含He气的混合气体。由于稀有气体昂贵，并且容易带来新的杂质，此方法经济性差；
(2)尽可能减小间隙。此方法不能满足大规模均匀放电，适用性较差；
(3)采用预电离。此方法中需要有外界能量的溃入，例如紫外灯照射，激励源具有辐射性，对人体的健康有一定的危害，并且投资大，操作复杂，通用性差；
另外在大面积介质阻挡放电中还会产生臭氧、氮氧化物等刺激，有毒气体。这些无论对人体还是环境都是有害的。
总而言之，现有这些技术对实现大规模均匀介质阻挡放电的通用性、适用性、经济性和环保性都不是很理想。因此，亟待一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是：为了解决现有实现大面积均匀介质阻挡放电中的通用性、适用性、经济性和环保性差等缺点，提供了一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法，可以在常压的环境下，通过控制放电间隙、放电频率和气流速度来达到大面积均匀介质阻挡放电的目的，从而解决上述现有技术中种种不足的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：提供了一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置，包括：电源系统、气路系统、介质阻挡放电区、电学测量系统、光谱测量诊断系统和循环系统。
所述的电源系统进一步包括：电压源11和变压器12；并且电压源11和变压器12电连接。
所述的气路系统进一步包括：气泵1、阀门2、流量计3、储气室7、循环处理气体系统8；气泵1提供放电气体，并且经过用于控制整个气路状态的阀门2后，其中气路连接用于显示气体流量的流量计3，经过介质阻挡放电区域后，残余的气体被输送到储气室7里，储气室7和循环处理气体系统8相连，最后循环系统8将气体输送至气泵1。
其中，循环处理气体系统8里面装有工作气体纯化装置，进而将经过纯化后的工作气体重新利用，达到了节约能源，减少有毒气体的排放，保护环境，提高经济效益的目的。
所述的介质阻挡放电区中包括：放电管外电极4、绝缘介质6、放电管中间电极5；其中，缠绕在放电管外的钨丝作为放电管外电极4，放电装置中用石英玻璃作为绝缘介质6，细直的钨丝作为放电管中间电极5，并且接地极16。放电管的两端分别接气泵1和储气室7。根据对放电装置性能的实际需求情况，也可采用平行板电极代替中间电极5和接地极16，石英玻璃绝缘介质6采用平行板的形式，相对的石英板之间为放电间隙，石英玻璃的绝缘介质6可选择其它适用于产生介质阻挡放电的绝缘介质材料。
所述的电学测量系统进一步包括：示波器13、高压探头14、电流探头15、电脑17；其中，变压器12的一极与放电管外电极4电连接，变压器12的另一极与放电管中间电极5电连接。示波器13的一个接口与高压探头14电连接，示波器13的另一个接口与电流探头15电连接，用于采集电压、电流信号，最后示波器13与电脑17电连接，用于时刻记录放电过程中电流、电压和频率等信息。
所述的光谱测量系统进一步包括：光学透镜10、光谱仪9、电脑17；其中，将光学透镜10置于放电装置外，并对准放电装置中间部分，被聚集的等离子体发射光谱信息通过光纤探头收集，并由光纤传输至光谱仪9，通过CCD探测器将光谱信号转变为数字信号被电脑17采集并处理。
本发明还提供了一种实现大面积均匀介质阻挡放电的方法，包括以下步骤：
步骤1：按照上述连接好装置后，调节电压，使其能够形成放电，调节放电谐振频率参数f，并且保持工作气体的流量为0.0；
其中频率参数f要保持在谐振频率附近。
步骤2：保持外界电压和频率不变，逐渐增大工作气体的流量，并通过示波器13和光谱仪9、电脑17分别记录电学参数的变化和采集放电形成等离子体的光谱信息；
步骤3：根据所得到的电学参数和光谱信息，做出将其最大值归一化后的电导Gn和同样处理的温度相关函数Kn随气流变化的关系图；
其中，对于电导Gn，根据介质阻挡放电电路参数的等效电路模型，可知反应器(放电装置)的阻抗为其中ω为圆频率，Cd为等效介质电容，等效电阻为R＝V/I，其中V是电压峰值，I为均方根电流，相应电导为G＝1/Zr。
其中，对于温度相关函数Kn，利用玻尔兹曼斜率法计算出等离子体的振动温度Tν和转动温度Tr。则转-振温度相关函数K＝Tr/Tv。
步骤4：根据步骤3所绘制的图，从中确定出上述两条曲线的交点所对应的气流量；
步骤5：调节工作气体的气流参数；
其中，气流参数vz，即通过介质阻挡放电装置中电极间隙的气流的流速；气流参数通过流量计3控制。
步骤6：调节电极结构参数D，并确保气流的流速vz不应小于放电间隙距离与脉冲频率乘积的四分之一；电极结构参数D，即涉及相对的放电电极之间的间距，或者特指在相对电极之间，专用于产生介质阻挡放电的介质材料之间的间距；
其中，介质阻挡放电的电源谐振频率和放电间隙之间的关系应该与气流流速相互协调，并符合上述的优化关系(气流的流速vz不应小于放电间隙距离与脉冲频率乘积的四分之一)，才能实现大面积均匀介质阻挡放电。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，可以在常压的环境下，通过控制放电间隙、放电频率和气流速度来达到大面积均匀介质阻挡放电的目的，从而解决现有技术中种种不足的问题。
附图说明
图1是实现大面积均匀介质阻挡放电的实现方案示意图。
图中表明实现均匀介质阻挡放电的基本功能单元，包括：电源系统，气路系统，介质阻挡放电区，电学测量系统，光谱测量诊断系统和循环系统。
图2是介质阻挡放电电路参数的等效电路模型图。
图中左侧部分为电源，中间部分T为中频升压变压器，右侧部分为DBD反应器的等效电路，其中Cs为副边寄生电容，Cd、Cg分别代表DBD反应器的介质与气隙等效电容。在击穿之前，电路等效于介质等效电容Cd与气隙电容Cg串联。而在放电阶段，放电反应器支路等效电阻R是一个动态变化的数值。
图3是实现大面积均匀介质阻挡放电的流程图。
图中的电学参数：电压、电流、频率可以通过示波器13读出，等离子体发射光谱信息通过光纤探头收集并由光纤传输至光谱仪9，并通过CCD探测器将光谱信号转变为数字信号，并通过电脑17收集处理。气流通过转子流量计3控制。
图4是实现大面积均匀介质阻挡放电的装置示意图。
图中：1气泵，2阀门，3流量计，4放电管外电极，5放电管中间电极，6绝缘介质，7储气室，8循环处理气体系统，9光谱仪，10光学透镜，11电压源，12变压器，13示波器，14高压探头，15电流探头，16接地极，17电脑。
图5是温度相关函数Kn和电导Gn随气流变化的示意图。
图6是放电频率一定，对应于不同放电装置直径和气体流速能够形成类辉光放电的区域。
图中横坐标为放电装置直径，vz是气流速度(粒子的定向迁移速度)，vsw是离子能够达到对极板的最低速度，vT是粒子的平均热速度，灰色覆盖区域为类辉光放电区。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
参照图1，图2，图4，本发明所述的一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置，包括：电源系统、气路系统、介质阻挡放电区、电学测量系统、光谱测量诊断系统和循环处理气体系统。
所述的电源系统进一步包括：电压源11和变压器12；并且电压源11和变压器12电连接。
所述的气路系统进一步包括：气泵1、阀门2、转子流量计3、储气室7、循环处理气体系统8；放电气体由气泵1提供，经过用于控制整个气路状态的阀门2后，其中气路连接用于显示气体流量的转子流量计3，经过介质阻挡放电区域后，残余的气体被输送到储气室7里，储气室7和循环处理气体系统8相连，最后循环系统8将气体输送至气泵1。
所述气路系统中，储气室7用来收集放电过程中排出的废气(包括臭氧，氮氧化物等刺激性气体)，当储气室7满后自动将气体导入循环处理气体系统8，循环处理气体系统8里面装有氮气纯化装置(不同的工作气体可以跟换不同的气体纯化装置)，进而将经过纯化后的工作气体重新利用，达到了节约能源，减少有毒气体的排放，保护环境，提高经济效益的目的。
所述的介质阻挡放电区中包括：放电管外电极4、绝缘介质材料石英玻璃6、放电管中间电极5；其中，缠绕在放电管外的钨丝作为放电管外电极4，放电装置中用石英玻璃6作为介质，细直的钨丝(直径0.2～0.4mm)作为放电管中间电极5(或放电装置的对电极)，并且接地极16。或者缠绕在放电管外的钨丝作为接地极16。放电管的两端分别接气泵1和储气室7，整个放电装置至于气路系统中且与气路构成封闭状态，或者气路开放状态。根据对放电装置性能的实际需求情况，也可采用平行板电极代替中间电极5和接地极16，绝缘介质6采用平行石英板的形式，相对的石英板之间为放电间隙，绝缘介质6的石英玻璃可选择其它适用于产生介质阻挡放电的材料。
所述放电装置系统中，为了保证良好的放电效果(绝缘介质6的厚度一般为～1mm)
所述的电学测量系统进一步包括：示波器13、高压探头14、电流探头15、电脑17；其中，变压器12的一极与放电管外电极4电连接，变压器的另一极与放电管中间电极5电连接。示波器13的一个接口与高压探头14电连接，示波器13的另一个接口与电流探头15电连接，用于采集电压，电流信号，最后示波器13与电脑17电连接，用于时刻记录放电过程中电流、电压和频率等信息。
所述电学测量系统中，高压探头14将放电高电压衰减(衰减比例为1：1000，其它参数不变)到示波器13可测的范围内。根据法拉第原理设计的电流探头15可以测量出微弱的电流信号，但是，在使用时要保持电流探头15正接。
所述的光谱测量系统进一步包括：光学透镜10、光谱仪9、电脑17；其中，将光学透镜10置于放电装置外，并对准放电装置中间部分，被聚集的等离子体发射光谱信息通过光纤探头收集，并由光纤传输至光谱仪9，通过CCD探测器将光谱信号转变为数字信号被电脑17采集，电脑17用于实时监控放电产生的光谱信息并处理。
一种实现大面积均匀介质阻挡放电的方法，包括以下步骤：
步骤1：按照上述连接好装置后，调节电压，使其能够形成放电，调节放电谐振频率参数f，并且保持工作气体的流量为0.0；
频率参数f为用于产生介质阻挡放电的谐振电源和脉冲电源的谐振或脉冲频率。频率参数f要保持在谐振频率附近。
步骤2：保持外界电压和频率不变，逐渐增大工作气体的流量，并通过示波器13和光谱仪9、电脑17分别记录电学参数的变化和采集放电形成等离子体的光谱信息；
步骤3：根据所得到的电学参数和光谱信息，做出将其最大值归一化后的电导Gn和同样处理的温度相关函数Kn随气流变化的关系图；
在本实施例中，以纯氮气为工作气体。对电学参数，根据附图2中介质阻挡放电电路参数的等效电路模型，可知反应器(放电装置)的阻抗为其中ω为圆频率，Cd为等效介质电容，等效电阻为R＝V/I，其中V是电压峰值，I为均方根电流，相应电导为G＝1/Zr。根据示波器13测量的电流、电压随气流变化的数据计算反应器电导，将其最大值归一化后的电导Gn随气流变化关系绘制于附图5中。
对于光谱方面，利用玻尔兹曼斜率法计算等离子体的振动温度。采用的拟合公式如下：
其中Iν′ν″为氮气分子带系谱线的相对强度，ν为发射光子的波数，ν′和ν″分别为上下振动量子数，Aν′ν″相应为两个量子态间的跃迁几率，Eν′是振动能级ν′的振动能量，C为常数，k是玻尔兹曼常数，Tν是分子振动温度。将对Eν′作图，拟合实验数据获得直线斜率即可求振动温度。
在本实施例中，DBD等离子体区的发射光谱包含了很强的氮气第二正带(C3Πu-B3Πg)，我们选用第二正带的0-0带组的R支，即337.1nm附近的转动谱带中转动谱线的强度，利用玻尔兹曼法计算分子转动温度。采用公式如下：
其中，IJ′J″是发射光谱中转动谱线的相对强度，J′、J″分别是上下态的转动量子数，是常数，Bν是转动态ν的转动常数，k是玻尔兹曼常数，Tr是分子转动温度。将对BνJ′(J′+1)hc作图，拟合实验数据获得直线斜率即可求转动温度。
引入转-振温度相关函数K＝Tr/Tv，并将其最大值归一化后的温度相关函数Kn随气流变化关系绘制于附图5中。
步骤4：根据步骤3所绘制的图(附图5)中确定出上述两条曲线的交点所对应的气流量；
步骤5：调节工作气体的气流参数；
气流参数vz，即通过介质阻挡放电装置中电极间隙的气流的流速；气流参数通过转子流量计3控制，通过读取流量计3上面的流量Q(单位m3/h)，然后根据反应器(放电装置)的横截面积S，计算出气流参数vz＝Q/S。
步骤6：调节电极结构参数D，并确保放电间隙气流的流速不应小于放电的间隙距离与脉冲频率的乘积的四分之一；
其中，电极结构参数D，即涉及相对的放电电极之间的放电间隙的间距，或者特指在相对电极之间，专用于产生介质阻挡放电的放电间距；电极结构参数通过测量放电装置可以得到。
对于本实验装置，选取典型的放电参数为：电压为0.5～20kV，放电电流为～40mA，放电气压为常压，放电气体为纯氮气，放电频率处于谐振频率范围是10～50kHz，选用壁厚为0.1～5mm的石英玻璃管作为绝缘介质，从而保证了良好的电绝缘性，放电间隙距离为0.1～5mm。放电中保持放电的间隙距离与放电频率不变，当气流流速为0或者很小时，放电表现为丝状放电，通过逐渐增大气流，并且使气流的流速大于等于放电的间隙距离与脉冲频率的乘积的四分之一时，丝状放电转变为类辉光放电。从而实现大面积均匀介质阻挡放电。附图6给出了放电频率处于谐振频率31kHz附近，对应于不同放电装置直径和气体流速能够形成类辉光放电的区域。
另外，为了实现大面积均匀介质阻挡放电，还需考虑输入功率和放电频率，输入功率尽可能的大，放电频率应选取在谐振频率附近，若选取的脉冲频率远离谐振频率，则装置将不能够放电。通过调节整个放电电路的以上三个参数符合气流的流速不应小于放电的间隙距离与脉冲频率的乘积的四分之一，并且脉冲频率、功率、气压、气体种类和介质材料等参数为谐振频率，功率与前面的优化关系相配合，保证放电稳定和持续。
总之，介质阻挡放电的电源谐振频率和放电间隙之间的关系应该与气流流速相互协调，并符合上述的优化关系。才能实现大面积均匀介质阻挡放电。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种实现大面积均匀介质阻挡放电的方法，其特征在于以下步骤：
步骤1：连接装置后，调节电压，使其能够形成放电，调节放电谐振频率参数f，并且保持工作气体的流量为0.0；
其中频率参数f要保持在谐振频率附近；
步骤2：保持外界电压和频率不变，逐渐增大工作气体的流量，并通过示波器(13)和光谱仪(9)、电脑(17)分别记录电学参数的变化和采集放电形成等离子体的光谱信息；
步骤3：根据所得到的电学参数和光谱信息，做出将其最大值归一化后的电导Gn和同样处理的温度相关函数Kn随气流变化的关系图；
其中，对于电导Gn，根据介质阻挡放电电路参数的等效电路模型，得到介质阻挡放电装置的阻抗为其中ω为圆频率，Cd为等效介质电容，等效电阻为R＝V/I，其中V是电压峰值，I为均方根电流，相应电导为G＝1/Zr；
其中，对于温度相关函数Kn，利用玻尔兹曼斜率法计算出等离子体的振动温度Tν和转动温度Tr；则转-振温度相关函数K＝Tr/Tv；
步骤4：根据步骤3所绘制的关系图，确定图中曲线的交点所对应的气流量；
步骤5：调节工作气体的气流参数；
气流参数vz，即通过介质阻挡放电装置中电极间隙的气流的流速；气流参数通过转子流量计(3)控制；
步骤6：调节电极结构参数D，并确保气流的流速vz不应小于放电间隙距离与脉冲频率乘积的四分之一；电极结构参数D，即涉及相对的放电电极之间的放电间隙的间距；
其中，介质阻挡放电的电源谐振频率和放电间隙之间的关系应该与气流流速相互协调，并符合优化关系，放电的气压、功率、绝缘介质材料、电极形式与优化关系互相匹配实现稳定、持续的大面积均匀介质阻挡放电；所述的优化关系为气流的流速vz不应小于放电间隙距离与脉冲频率乘积的四分之一；
实现上述方法的装置，包括：电源系统，气路系统，介质阻挡放电区，电学测量系统，光谱测量诊断系统和循环系统；
所述的电源系统进一步包括：电压源(11)和变压器(12)；并且电压源(11)和变压器(12)电连接；
所述的气路系统进一步包括：气泵(1)、阀门(2)、流量计(3)、储气室(7)、循环处理气体系统(8)；气泵(1)提供放电气体，并且经过用于控制整个气路状态的阀门(2)后，其中气路连接用于显示气体流量的流量计(3)，经过介质阻挡放电区域后，残余的气体被输送到储气室(7)里，储气室(7)和循环处理气体系统(8)相连，最后循环处理气体系统(8)将气体输送至气泵(1)，所述的装置有储气室(7)和循环处理气体系统(8)；
所述的介质阻挡放电区中包括：放电管外电极(4)、石英玻璃绝缘介质(6)、放电管中间电极(5)；其中，缠绕在放电管外的钨丝作为放电管外电极(4)，介质阻挡放电装置中用石英玻璃作为绝缘介质(6)，细直的钨丝作为放电管中间电极(5)，并且接地极(16)；放电管的两端分别接气泵(1)和储气室(7)；根据对介质阻挡放电装置性能的实际需求情况，也可采用平行板电极代替中间电极(5)和接地极(16)，石英玻璃的绝缘介质(6)采用平行板的形式，相对的石英板之间为放电间隙，石英玻璃的绝缘介质(6)可选择其它适用于产生介质阻挡放电的材料；
所述的电学测量系统进一步包括：示波器(13)、高压探头(14)、电流探头(15)、电脑(17)；其中，变压器(12)的一极与放电管外电极(4)电连接，变压器(12)的另一极与放电管中间电极(5)电连接；示波器(13)的一个接口与高压探头(14)电连接，示波器(13)的另一个接口与电流探头(15)电连接，用于采集电压，电流信号，最后示波器(13)与电脑(17)电连接，用于时刻记录放电过程中电流、电压和频率信息；
所述的光谱测量系统进一步包括：光学透镜(10)、光谱仪(9)、电脑(17)；其中，将光学透镜(10)置于介质阻挡放电装置外，并对准介质阻挡放电装置中间部分，被聚集的等离子体发射光谱信息通过光纤探头收集，并由光纤传输至光谱仪(9)，通过CCD探测器将光谱信号转变为数字信号被电脑(17)采集并处理。
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