CN107172797A - 针‑管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置 - Google Patents

针‑管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置 Download PDF

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Abstract

针‑管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，所述装置第一个高压电极为内6.5mm、内径8.22mm、长128.77mm的不锈钢管,第二个高压电极为直径2.764mm、长205.674mm、放电端是铅笔尖型的不锈钢棒，并插入到管状高压电极里；针状高压电极的放电端从管状高压电极的底部放电端伸出了7.5786mm;所述针‑管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置在管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的管状高压电极里插入一根针状高压电极，使针状高压电极与等离子体射流下游段处的虚拟电极之间形成轴向电场，并且针状高压电极与接地电极之间发生体介质阻挡放电，进一步提高放电区域的电场强度，这有利于高浓度气体的激发和电离。

Description

针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置
技术领域
本发明专利涉及一种介质阻挡放电装置，更加具体的说是针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置。
背景技术
在大气介质阻挡放电中，有一种为体介质阻挡放电，另一种情况为沿面介质阻挡放电；同时所述的体介质阻挡放电的气体击穿电压比沿面介质阻挡放电的高；同时所述的体介质阻挡放电在相同能量下产生的活性粒子种类和数量比沿面介质阻挡放电的少，也就是说前者没有放电均匀；沿面介质阻挡放电根据电极结构又可分为“共面型”沿面介质阻挡放电电极结构和“非共面型”沿面介质阻挡放电电极结构；现存的介质阻挡放电射流装置电极等离子体射流源的高压电极在接地电极的内部，因此是以径向电场为主的等离子体射流源；J．L．Walsh等人比较了径向电场和轴向电场的大气压介质阻挡放电等离子体射流源的特性，发现轴向电场等离子体射流源能够使电子更容易迁移到射流的下游端，因此在下游端产生的活性粒子浓度更高，电子激发温度也更大。
发明内容
本发明专利克服了现有技术条件不足，提供一种针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，本发明专利解决的技术方案是：本发明专利所述装置的第一个高压电极为内6.5mm、内径8.22mm、长128.77mm的不锈钢管,第二个高压电极为直径2.764mm、长205.674mm、放电端是铅笔尖型的不锈钢棒，并插入到管状高压电极里；针状高压电极的放电端从管状高压电极的底部放电端伸出了7.5786mm;在管状高压电极的外壁紧密覆盖一内径7.98567mm、外径10.6538mm、长105.783mm的石英玻璃管;石英玻璃管的下端为圆锥体形状，并且有一个孔径3.8637mm的气体出口;在石英玻璃管的外壁距气体出口11.8745mm处紧密缠绕长21.674mm、厚0.36894mm的铜箔，并作为环状接地电极,接地电极的上端与管状高压电极的底部放电端在同一高上，在气体出口下方5.2680mm处，放置了一个厚0.956mm的石英玻璃板。
高纯气体从上方气体入口进入，并利用质量流量计控制其流量为1.267Ipm，电源采用幅值0-20kV，频率为8.5kHz的交流电源，电源输出电压利用高压探头测量得到，输出电流通过测量与接地电极串联的58欧姆电阻上的 电压得到，李萨如图形通过与接地电极串联118 nF电容得到，并记录在示波器上。光谱仪的光纤探头固定在石英玻璃板下方2.67mm处，光信号通过发射光谱仪光栅记录得到；放电照片和等离子体射流长度由尼康数码相机拍照得到。
本发明专利的有益效果：所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置在管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的管状高压电极里插入一根针状高压电极，使针状高压电极与等离子体射流下游段处的虚拟电极之间形成轴向电场，并且针状高压电极与接地电极之间发生体介质阻挡放电，进一步提高放电区域的电场强度，这有利于高浓度气体的激发和电离，通过与管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置进行比较，采用双高压电极介质阻挡复合放电形式之后,等离子体射流的氮分子振动温度、光谱强度、氧原子密度比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置有了显著地提高。
附图说明
图1是本发明专利有效功率随峰值电压变化图。
图2是本发明专利波长范围内的发射光谱图。
图3是本发明专利转动温度随峰值电压变化图。
图4是本发明专利振动温度随峰值电压变化图。
图5是本发明专利平均电子密度随峰值电压变化图。
图6是本发明专利系统结构示意图。
具体实施方式
下面应用具体实例对本发明专利进行一般说明。
实施例：所述高浓度气体，从进气孔进入，接通相关交流电源，设置好参数，在示波器、测谱仪中观察数据变化；本发明专利主要以高纯度气体为实验气体， 图1给出了利用李萨如图形计算得到的有效功率随峰值电压的变化。从该图中可以看出，所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的有效功率明显大于管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的有效功率；当峰值电压从4.589KV增大到6.889KV时，针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的有效功率从3.22W增大至6.458W。
图2给出了峰值电压为时，所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置等离子体射流在650-900nm波长范围内的发射光谱；从该图中可以看出，等离子体射流中存在激发态的、、、等粒子，选择跃迁产生的706.7nm、714.7nm、738.4nm、751.5nm、749.8nm、800.6nm等7条激发态高浓度气体原子谱线，并给出的相应选择谱线的光谱参数，利用波尔兹曼分布斜率法，计算了等离子体射流的电子激发温度；随着峰值电压的增大，电子激发温度几乎是线性地增大；所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子激发温度明显比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子激发温度大，这说明插入针状高压电极之后，电子能量进一步得到了提高；当峰值电压从4.6 kV增加到7kV时，电子激发温度从3221K增大到3335K。
利用光谱分析软件，对从 跃迁产生的分子谱带进行了模拟，并与实验测量得到的高浓度气体分子谱带进行了比较，从而确定出了高浓度气体分子的转动温度和振动温度；图3和图4给出了从 跃迁产生分子谱带的转动温度和振动温度随峰值电压的变化；从图3和图4中可以看出，从跃迁产生分子谱带的转动温度和振动温度随峰值电压的增大，几乎是线性地增大，这可能是因为有效功率随峰值电压几乎线性地增大导致的；所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的高浓度气体分子转动温度和管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的高浓度气体分子转动温度几乎相同，这是由两个原因造成的；一个是高浓度气体的流动可以有效地降低气体温度；另一个是这两个射流装置的传导电流和有效功率只有几mA和几W，尽管它们的差值比较明显，但是相对比较小，因此两者的气体温度比较接近；当电流方均根差值约1.8mA时，有接地电极和没有 接地电极两种情况下的等离子体射流温度差值小于5K；然而，所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的高浓度气体分子振动温度比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的高浓度气体分子振动温度大很多，这是由于针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的有效功率比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的有效功率大导致的；在低气压下，当射频功率从20W大气压针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电极结构设计和特性研究增大到60W时，高浓度气体分子的振动温度从2520K增大到了2950K，这说明少量功率的增大将导致高浓度气体分子振动温度的显著增大；另外，针状高压电极的插入，使沿着石英玻璃管中心轴线的电场强度增大(即针状高压电极与等离子体射流末端处虚拟电极之间形成轴向电场)，从而使电子更容易迁移到射流装置的外部，并通过加速运动使其具有更高的电子能量，这将导致通过电子-分子碰撞激发，使针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的高浓度气体分子振动温度进一步得到提高。
在峰值电压为5.675KV时，所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的发射光谱强度明显比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的发射光谱强度大很多，这说明针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子能量比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子能量大。
利用示踪元素光谱法，计算得到的氧原子密度和氮分子密度随峰值电压的变化；氧原子密度和氮分子密度随峰值电压的增大而增大；所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置中氧原子密度和管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置氧原子密度的差值，随峰值电压的增大逐渐增大，而它们氮分子密度的差值，随峰值电压的增大逐渐减小，这是由于它们的有效功率差值随峰值电压的增大逐渐增大导致的，随着峰值电压的增大,它们的有效功率差值逐渐增大,导致它们处于高能级的电子数差值也逐渐增大，并且这些处于高能级的电子与氧分子发生反应,产生氧原子,所以这两种等离子体射流的氧原子密度差值随峰值电压的增大逐渐增大；反之,随着峰值电压的增大,它们处于低能级的电子数差值逐渐减小；并且这些处于低能级的电子与氮分子发生反应，产生激发态的氮分子，所以这两种等离子体射流的激发态氮分子密度差值随峰值电压的增大逐渐减小。
图5给出了平均电子密度随峰值电压的变化，平均电子密度利用能量守恒方程和放电等离子体体积公式计算得到：
上式中， 表示石英玻璃管的内径，表示接地电极的长度，表示气体出口的半径，表示气体出口与石英板之间的距离，h表示接地电极到气体出口之间的距离，表示针状高压电极的半径，表示针状高压电极的放电端到管状高压电极放电端的距离;从图5中可以看出,平均电子密度随峰值电压的增大,几乎是线性地增大; 所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子密度明显比管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子密度大，所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的放电是由管状高压电极所主导的,因此可以近似地认为，所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的放电截面和电场与管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的放电截面和电场相等；由此可以得出：
上式中，I表示传导电流的峰值，ne表示电子密度。
所述针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置,通过加入针状高压电极，使管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的轴向电场和放电区域电场进一步得到增强而设计得到，该射流装置的放电形式为沿面介质阻挡放电和体介质阻挡放电相结合的复合放电形式，通过对其进行相关特性诊断,并与管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置进行比较，发现针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的传导电流峰值、有效功率、电子激发温度、电子密度、氮分子密度得到了明显的增大，尤其是氮分子的振动温度、光谱强度、氧原子密度有了显著的提高。
本发明专利未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，其特征是第一个高压电极为内6.5mm、内径8.22mm、长128.77mm的不锈钢管,第二个高压电极为直径2.764mm、长205.674mm、放电端是铅笔尖型的不锈钢棒，并插入到管状高压电极里；针状高压电极的放电端从管状高压电极的底部放电端伸出了7.5786mm;在管状高压电极的外壁紧密覆盖一内径7.98567mm、外径10.6538mm、长105.783mm的石英玻璃管;石英玻璃管的下端为圆锥体形状，并且有一个孔径3.8637mm的气体出口;在石英玻璃管的外壁距气体出口11.8745mm处紧密缠绕长21.674mm、厚0.36894mm的铜箔，并作为环状接地电极,接地电极的上端与管状高压电极的底部放电端在同一高上，在气体出口下方5.2680mm处，放置了一个厚0.956mm的石英玻璃板。
2.针-管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，其特征是高纯气体从上方气体入口进入，并利用质量流量计控制其流量为1.267Ipm，电源采用幅值0-20kV，频率为8.5kHz的交流电源，电源输出电压利用高压探头测量得到，输出电流通过测量与接地电极串联的58欧姆电阻上的 电压得到，李萨如图形通过与接地电极串联118 nF电容得到，并记录在示波器上。
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