CN106896067B - 在大气压中产生环形体积-沿面dbd的实验装置 - Google Patents
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Abstract
在大气压中产生环形体积‑沿面DBD的实验装置，属于等离子技术领域。主要由环形体积‑沿面DBD反应器(1)，电源系统(2)，供气系统(3)，和空间分辨光学诊断系统(4)组成。其中，放电等离子体由电源系统(2)激励，在环形体积‑沿面DBD反应器(1)中产生，由供气系统(3)提供放电的气体氛围，并保持一定的气体组分和流速，由空间分辨光学诊断系统(4)进行在线光学诊断。本发明集中了沿面DBD和体积DBD的优势，在沿面DBD高压电极的放电边缘增加了体积放电，形成了环形体积‑沿面介质阻挡放电结构，使得放电既能够具有高能效和高活性物种产量，又能使沿面DBD在空间尺度上得到更为便利的应用。
Description
技术领域
本发明属于等离子体技术领域。特别是涉及一种，在环形沿面介质阻挡放电高压电极的放电一端增加体积放电，利用纳秒脉冲电源或正弦交流电源激励，产生环形体积-沿面介质阻挡放电等离子体的实验装置。
技术背景
近年来，介质阻挡放电(DBD)在生物-化学改性和污染物处理等方面得到了广泛的关注。DBD主要有两种基本结构，分别是体积DBD和沿面DBD。一般来说，体积DBD由无数个微放电通道组成，在覆盖了介质板的高压电极和地电极之间存在气体间隙，微放电通道从其中一个电极穿过气体间隙后到达另一个电极表面，同时形成沿面放电。而传统沿面DBD结构的高压电极和地电极分别置于介质板两侧，放电由其中一个电极的边缘发生，沿着介质板表面扩散至另一电极。由于沿面DBD具有的薄层式结构，能够沿着介质板表面产生放电，同时产生平行于介质板表面和垂直于介质板表面的诱导性气流，因此，沿面DBD不仅应用于生物-化学改性和污染物处理等方面，在气流控制方面也受到了广泛的研究。本发明中的环形体积-沿面DBD结构就是在沿面DBD结构的基础上提出的。
与体积放电相比，沿面放电具有更高的能量效率和活性物种产量。沿面DBD结构能够聚集更高的能量，同时，在较不易放电的电负性气体中，沿面放电也能够具有较低的放电起始电压。由于沿面DBD的放电区域集中在介质板与电极之间的薄层内，放电等离子体中的电子、离子、中性粒子等发生的碰撞、激发、电离的频率和频次比体积放电更高。对于放电产生的长寿命物种来说，如O3等在DBD处理污染物过程中发挥重要作用的活性物种，在沿面DBD的放电薄层上方存在的较大空间可以使其远离放电等离子体中的淬灭和解离过程，从而获得更大的产量。同时，这种沿面DBD结构对于非接触式的应用十分便捷。然而，对于一些短寿命物种来说，如OH自由基、O原子等，其辐射寿命仅为纳秒量级，因此，这些活性物种仅能存在于沿面放电等离子体的薄层内，阻碍了沿面放电在大面积、大空间尺度上的应用。而体积DBD虽然在能量效率和活性物种产量方面存在劣势，但其可以实现在大面积、大空间尺度上的应用。
发明内容
为了解决沿面DBD难以在空间尺度上实现应用，而体积DBD又不具有沿面DBD在能耗以及活性物种产量等方面的优势，同时对于放电区域等离子体分布的在线诊断存在困难等问题，本发明提出了一种在大气压中产生环形体积-沿面DBD的实验装置,主要由环形体积-沿面DBD反应器，电源系统，供气系统，和空间分辨光学诊断系统组成；放电等离子体由电源系统激励，在环形体积-沿面DBD反应器中产生，由供气系统提供放电的气体氛围并保持一定的气体组分和流速，由空间分辨光学诊断系统进行在线光学诊断。
环形体积-沿面DBD反应器主要由环形体积-沿面高压电极，放电介质管，环形地电极，防爬电介质管，和导气管组成；环形体积-沿面高压电极为熔铸在一起的内部为同轴，且相互贯通的两个空心圆柱体和空心圆台体组成，其中上端空心圆台体的下底面与中间的圆柱体外径一致，下端圆柱体的外径小于中间圆柱体的外径，中间空心圆柱体的外表面熔铸固定径向环形电极板，用于放置放电介质管，环形电极板的外圈固定有密封圈，防爬电介质管同轴紧密套在环形电极板外，且上端至少覆盖至环形体积-沿面高压电极放电部分的环形圆台体底端；环形地电极套在放电介质管的上端并接地；环形地电极套在放电介质管的上端并接地，环形地电极下端与防爬电介质管上端的间距为6.5-15mm；空心圆台体高3.5-10mm，空心圆台体顶端圆形边界与环形地电极的轴向间距为3-5mm，与放电介质管内壁的间距为0.5-3mm，空心圆台体侧面与放电介质管内壁的夹角为30-45°；环形体积-沿面高压电极下端空心圆柱体部分连接导气管，环形电极板经导线连接至电源系统；空心圆台体的顶端则产生体积放电，底端产生沿面放电，从而形成环形体积-沿面介质阻挡放电等离子体。
电源系统既可以是高压纳秒脉冲电源，也可以是正弦交流电源。
供气系统由气瓶和质量流量计，反应气的流量和组分由质量流量计控制。
空间分辨光学诊断系统由线型光纤探头，光纤，石英透镜，高分辨率光栅单色仪，电荷耦合器件，和计算机组成。放电等离子体发出的光信号通过石英透镜汇聚，由线型光纤探头采集后经过光纤导入高分辨率光栅单色仪分光，分光形成光信号经过电荷耦合器件转化为电信号，最终以光谱形式呈现在计算机上。
本发明的有益效果是：(1)利用环形体积-沿面DBD反应器，在大气压中产生了环形体积-沿面介质阻挡放电等离子体；(2)将体积放电增加在沿面介质阻挡放电高压电极的放电一端，使得放电等离子体既能保持沿面DBD的高能效和高活性物种产量，又能够在空间尺度上得到应用；(3)将放电部分和导气部分集中于环形体积-沿面高压电极，并保持共轴，使得放电气体由中心轴均匀弥散至放电介质管内壁；(4)经过多次实验，确定了环形体积-沿面高压电极中，发生体积放电的环形圆台体顶端圆形边界与放电介质管内壁的间距范围，保证了沿面放电和体积放电同时存在，不会由于间距过大或过小而导致缺失；(5)经过多次实验，确定了环形体积-沿面高压电极中，环形圆台体顶端圆形边界与环形地电极的轴向间距范围，保证了放电具有合适的阈值电压，使得沿面放电和体积放电能够充满放电区域；(6)利用空间分辨光学诊断系统，在线诊断环形体积-沿面放电等离子体的活性物种和放电区域分布。为了能够诊断体积-沿面DBD结构产生的放电等离子体，本发明中利用带有空间分辨光纤探头的光谱仪采集放电的发射光谱，研究放电区域的分布，计算并分析活性物种的相对产量，对于沿面DBD和体积DBD的分布以及放电稳定性进行空间上的实时诊断。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为环形体积-沿面DBD反应器结构示意图。
图3为环形体积-沿面DBD反应器的高压电极结构示意图。
图4为供气系统。
图5为空间分辨光学诊断系统。
图中：1.环形体积-沿面DBD反应器；2.电源系统；3.供气系统；4.空间分辨光学诊断系统；101.环形体积-沿面高压电极；102.放电介质管；103.环形地电极；104.防爬电介质管；105.导气管；106.环形电极板；301.气瓶；302.质量流量计；401.石英透镜；402.线型光纤探头；403.光纤；404.电荷耦合器件；405.高分辨率光栅单色仪；406.计算机。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
大气压中产生环形体积-沿面DBD的实验装置，主要由环形体积-沿面DBD反应器1，电源系统2，供气系统3，和空间分辨光学诊断系统4组成。其中，放电等离子体由电源系统2激励，在环形体积-沿面DBD反应器1中产生，由供气系统3提供放电的气体氛围并保持一定的气体组分和流速，由空间分辨光学诊断系统4进行在线光学诊断。
环形体积-沿面DBD反应器1主要由环形体积-沿面高压电极101，放电介质管102，环形地电极103，防爬电介质管104，导气管105，和环形电极板106组成；环形体积-沿面高压电极101为熔铸在一起的同轴，且相互贯通的一个空心圆柱体和一个空心圆台体组成，其中上端空心圆台体的下底面与中间的圆柱体外径一致，下端圆柱体的外径小于中间圆柱体的外径，中间空心圆柱体的外表面熔铸固定径向环形电极板106，用于放置放电介质管102，环形电极板的外圈固定有密封圈，防爬电介质管104同轴密封套在环形电极板106外，且上端至少覆盖至环形体积-沿面高压电极101放电部分的环形圆台体底端；环形地电极103套在放电介质管102的上端并接地；环形地电极103套在放电介质管102的上端并接地，环形地电极103下端与防爬电介质管104上端的间距为6.5-15mm；空心圆台体高3.5-10mm，空心圆台体顶端圆形边界与环形地电极103的轴向间距为3-5mm，与放电介质管102内壁的间距为0.5-3mm，空心圆台体侧面与放电介质管102内壁的夹角为30-45°；环形体积-沿面高压电极101下端空心圆柱体部分连接导气管105，环形电极板106经导线连接至电源系统2；空心圆台体的顶端则产生体积放电，底端产生沿面放电，从而形成环形体积-沿面介质阻挡放电等离子体。
放电介质管102的长度为10-15cm，壁厚为0.5-1.5mm，材料可为石英、陶瓷、聚四氟乙烯等。环形地电极103的长度为2-5cm，壁厚为0.03-2mm，材料可为白钢、黄铜等。防爬电介质管104的长度为5-10cm，壁厚为1-3mm，内径与放电介质管102的外径一致，材料可为石英、陶瓷、聚四氟乙烯等。导气管105的长度视与供气系统3的具体连接长度而定，壁厚为1-2mm。
环形体积-沿面高压电极101材料可为白钢、黄铜等，放电部分由环形圆柱体和环形圆台体组成，高分别为7-15mm和3.5-10mm。其中环形圆柱体的外径与放电介质管102的内径一致，约为6-12mm，起固定作用。环形圆台体与放电介质管102和环形地电极103形成放电区域，其底端与环形圆柱体熔铸在一起，形成沿面放电，而环形圆台体的顶端则产生体积放电，从而形成环形体积-沿面介质阻挡放电等离子体。其中，环形圆台体的底端圆形边界直径与环形圆柱体的外径一致，而顶端圆形边界与环形地电极103的轴向间距为3-5mm，与放电介质管102内壁的间距为0.5-3mm。环形体积-沿面高压电极101的导气部分由两个环形圆柱体组成，高分别为2-5mm和5-10mm。较细的(外径4-6mm，壁厚0.5-1mm)与导气管105相连。较粗的将放电介质管102的一端密封，外径与放电介质管102的外径一致，内径与较细环形圆柱体的内径一致。环形地电极103的内径与放电介质管102的外径一致。防爬电介质管104至少覆盖至环形体积-沿面高压电极101放电部分的环形圆台体底端。
电源系统2既可以是高压纳秒脉冲电源，也可以是正弦交流电源。其中，纳秒脉冲电源可以在正负方向上交替产生相同的窄脉冲电压波形，脉冲上升时间约为30-40ns，脉宽约为60ns，脉冲峰值电压在0-60kV范围内连续可调，脉冲重复频率在0-400Hz范围内连续可调。为了避免电源对放电和诊断仪器产生电磁干扰，电源置于双层屏蔽箱内，屏蔽箱牢固接地。正弦交流电源可以产生重复性良好的正弦交流电压波形，频率在0～15kHz范围内连续可调，电压峰-峰值在0-40kV范围内连续可调。
供气系统3由气瓶301和质量流量计302，反应气的流量和组分由质量流量计302控制。气瓶301提供的反应气种类可根据实验装置的需求确定，一般可以为氮气、氧气、氦气、氩气等。同时，气瓶301的数量并不仅限于图中的两个。
空间分辨光学诊断系统4由石英透镜401，线型光纤探头402，光纤403，高分辨率光栅单色仪404，电荷耦合器件405，和计算机406组成。其中，石英透镜401正对放电区域，可平行于环形体积-沿面DBD反应器1轴向，也可平行于径向。放电等离子体发出的光信号通过石英透镜401汇聚，光纤403靠近石英透镜401一端安装线型光纤探头402，另一端接入高分辨率光栅单色仪404。光信号由线型光纤探头402采集后经过光纤403导入高分辨率光栅单色仪404分光，分光形成光信号经过电荷耦合器件405转化为电信号，最终以光谱形式呈现在计算机406上。其中，常用的光栅有2400l/m和1200l/m，对应的闪耀波长分别为350nm和500nm。
实施例1：
环形体积-沿面高压电极101材料为白钢；其中，放电部分的环形圆柱体内径6mm，外径10mm，高7mm；环形圆台体高3.5mm，顶端与放电介质管102的内径间距为2mm；导气部分的环形圆柱体内径均为4mm，外径分别为6mm和12mm，长度分别为5mm和2mm。放电介质管102材料为石英玻璃，内径为10mm，壁厚1mm，外径12mm，长10cm。环形地电极103材料为黄铜，内径为12mm，壁厚1mm，外径14mm，长5cm，与环形体积-沿面高压电极101的轴向间距为3mm。防爬电介质管104材料为石英玻璃，内径12mm，壁厚2mm，外径16mm，长5cm，置于放电介质管102外，从环形体积-沿面高压电极101放电部分环形圆台体底端开始覆盖。导气管105内径6mm，壁厚1mm，外径8mm。
电源系统2选择纳秒脉冲电源，通过导线与环形体积-沿面高压电极101相连，同时环形地电极103牢固接地。供气系统3采用80％氮气和20％氧气，通过导气管105维持放电等离子体的气体氛围。空间分辨光学诊断系统4采用2400l/m、闪耀波长350nm的光栅进行放电等离子体的在线诊断。
Claims (1)
1.在大气压中产生环形体积-沿面介质阻挡放电的实验装置，主要由环形体积-沿面介质阻挡放电反应器(1)，电源系统(2)，供气系统(3)，和空间分辨光学诊断系统(4)组成；放电等离子体由电源系统(2)激励，在环形体积-沿面介质阻挡放电反应器(1)中产生，由供气系统(3)提供放电的气体氛围并保持一定的气体组分和流速，由空间分辨光学诊断系统(4)进行在线光学诊断；其特征在于，环形体积-沿面介质阻挡放电反应器(1)主要由环形体积-沿面高压电极(101)，放电介质管(102)，环形地电极(103)，防爬电介质管(104)，导气管(105)，和环形电极板(106)组成；环形体积-沿面高压电极(101)为熔铸在一起的同轴，且相互贯通的一个空心圆柱体和一个空心圆台体组成，其中上端空心圆台体的下底面与中间的圆柱体外径一致，下端圆柱体的外径小于中间圆柱体的外径，中间空心圆柱体的外表面熔铸固定径向环形电极板(106)，用于放置放电介质管(102)，环形电极板(106)的外圈固定有密封圈，防爬电介质管(104)同轴密封套在环形电极板(106)外，且上端至少覆盖至环形体积-沿面高压电极(101)放电部分的环形圆台体底端；环形地电极(103)套在放电介质管(102)的上端并接地，环形地电极(103)下端与防爬电介质管(104)上端的间距为6.5-15mm；空心圆台体高3.5-10mm，空心圆台体顶端圆形边界与环形地电极(103)的轴向间距为3-5mm，与放电介质管(102)内壁的间距为0.5-3mm，空心圆台体侧面与放电介质管(102)内壁的夹角为30-45°；环形体积-沿面高压电极(101)下端空心圆柱体部分连接导气管(105)，环形电极板(106)经导线连接至电源系统(2)；空心圆台体的顶端则产生体积放电，底端产生沿面放电，从而形成环形体积-沿面介质阻挡放电等离子体。
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