CN109496049A - 一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法 - Google Patents

一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法 Download PDF

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唐井峰
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Abstract

一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，它涉及一种脉冲放电的增强方法。本发明利用气流的输运作用，将1级至n‑1级放电产生的含能粒子输运至2级至n级，提高了2级至n级的初始含能粒子浓度，利用含能粒子的预电离作用，当下一次放电脉冲来临时，2级至n级放电强度明显提升，且放电强度沿着气流的方向逐渐增强至饱和；通过调节n‑1电极与n电极的间距，匹配带电粒子寿命，能够得到最优的输出放电强度。当输入气流v为恒定气流时，通过改变电极结构或调节放电频率f的方式对输出放电强度进行反馈调节；当输入气流v为时变气流时，通过调节放电频率f的方式对输出放电强度进行反馈调节，以实现放电的增强。

Description

一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的 方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲放电的增强方法。
背景技术
气体流动环境下的放电在静电除尘、流动控制、材料处理等方面具有广泛的应用价值。在气体流动环境中的放电技术中，由于气流的传热传质作用，放电空间中带电粒子及能量受到气流作用的影响，放电强度会出现明显的减弱，尤其在高速气流条件下时，放电甚至会出现熄灭的情况。因此，如何在流动条件下提高放电强度是流动环境下的放电必须要面对的问题。
目前，提高放电强度的方法大部分采用提高电压或输入能量的方式，但这种方法会有以下两个问题：
一、供电电源的技术难度大；
二、电极结构设计难度大。
上述均会导致成本高，放电不稳定，给应用带来很大压力。
发明内容
本发明是要解决现有的气体流动环境下的放电强度会出现减弱的技术问题，而提供一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法。
本发明的气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法是按以下步骤进行的：
将放电装置的两级设置在气流出口使得气体在放电装置的两级之间进行电离；所述的放电装置的两级分别是高压电极和地电极，且放电装置的两级平行，放电装置的放电方向与气流方向垂直；放电装置的高压电极与高频高压脉冲电源的正极连接，放电装置的地电极与高频高压脉冲电源的负极连接；放电装置的地电极分为n个地电极，n为大于等于3的整数，n个地电极并联且沿着气流方向并列布置，靠近气流出口的地电极为上游地电极，远离气流出口的地电极为下游地电极；放电装置的高压电极分为n个高压电极，n为大于等于3的整数，n个高压电极并联且沿着气流方向并列布置，靠近气流出口的地电极为上游高压电极，远离气流出口的地电极为下游高压电极，且n个高压电极与n个地电极的位置一一对应；
n个高压电极的尺寸相同，n个地电极的尺寸相同，且高压电极的尺寸与地电极的尺寸相同；每个地电极沿着气体流动方向的长度为L1，相邻两个地电极之间的距离为L2；在高频高压脉冲电源的脉冲间隔时间内，气体的输运距离大于等于L2且小于等于n-1倍的L2与n倍的L1之和，即L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2，v是气体的流动速度，f是高频高压脉冲电源的频率；
当气体的流动速度v为恒定时，通过调节放电频率f、L1或L2来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2；
当气体的流动速度v为非恒定时，通过调节放电频率f来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2。
本发明中所述的气体为任意可电离的气体。
本发明在气体流动通道内，沿着气流方向上布置上下游结构的放电装置，上游即是靠近气流出口，下游是远离气流出口，放电装置在气体流动通道内产生高强度放电区域，n个地电极与n个高压电极位置一一对应，n个电极沿着气流方向并列布置于气体流动方向的上游和下游之间；
本发明利用高压脉冲电源对n个高压电极和n个地电极形成了n个部分区域进行放电，产生n个等离子体区域，然后通过调整脉冲频率f，气体流速v和地电极的尺寸三者之间的关系，能够保证在高频高压脉冲电源的脉冲间隔时间内，上游两级放电产生的等离子体中的含能粒子在连续气流的输运作用下输运至下游两级放电区域，进而提高了下游两级放电区域的初始含能粒子密度。
本发明合理利用气流的输运作用将上游两级放电产生的含能粒子输运至下游两级放电区域，提高了下游两级放电区域内初始含能粒子的浓度；当下一次放电脉冲激励来临时，已经输运至下游两级放电区域的含能粒子起到预电离的作用，利用粒子的雪崩效应，形成粒子浓度的级联放大，进而实现了下游两级放电区域的放电强度的增强。
本发明的主要步骤为：对于气体来流v状态进行判断，当输入气流v为恒定气流时，设计多电极结构(级数为n，相邻的地电极间距为L2，地极长度为L1)，并计算放电频率f，使得其三者满足如下关系：L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2，得到输出放电强度；当输出放电强度未满足要求时，可通过改变电极结构(L2和L1)或者调节放电频率f的方式对输出放电强度进行反馈调节；
当输入气流v为时变气流时，对于某固定多电极结构(L2和L1为定值)，可通过调整输入放电频率f，使得其三者满足如下关系：L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2，得到输出放电强度；当输出放电强度未满足要求时，可通过调节放电频率f的方式对输出放电强度进行反馈调节。
附图说明
图1是试验一中气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法的原理结构示意图，箭头表示气流方向，1是气罐，2是阀门，3是气体运输管道，4是高频高压脉冲电源，5是高压电极，6是上游等离子体区域，7是上游地电极，8是下游地电极，9是绝缘支撑，10是下游等离子体区域；
图2是图1中地电极的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，具体是按以下步骤进行的：
将放电装置的两级设置在气流出口使得气体在放电装置的两级之间进行电离；所述的放电装置的两级分别是高压电极和地电极，且放电装置的两级平行，放电装置的放电方向与气流方向垂直；放电装置的高压电极与高频高压脉冲电源的正极连接，放电装置的地电极与高频高压脉冲电源的负极连接；放电装置的地电极分为n个地电极，n为大于等于3的整数，n个地电极并联且沿着气流方向并列布置，靠近气流出口的地电极为上游地电极，远离气流出口的地电极为下游地电极；放电装置的高压电极分为n个高压电极，n为大于等于3的整数，n个高压电极并联且沿着气流方向并列布置，靠近气流出口的地电极为上游高压电极，远离气流出口的地电极为下游高压电极，且n个高压电极与n个地电极的位置一一对应；
n个高压电极的尺寸相同，n个地电极的尺寸相同，且高压电极的尺寸与地电极的尺寸相同；每个地电极沿着气体流动方向的长度为L1，相邻两个地电极之间的距离为L2；在高频高压脉冲电源的脉冲间隔时间内，气体的输运距离大于等于L2且小于等于n-1倍的L2与n倍的L1之和，即L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2，v是气体的流动速度，f是高频高压脉冲电源的频率；
当气体的流动速度v为恒定时，通过调节放电频率f、L1或L2来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2；(当调节地电极的结构时，高压电极也要进行相同的调整，满足n个高压电极的尺寸相同，n个地电极的尺寸相同，且高压电极的尺寸与地电极的尺寸相同，且n个高压电极与n个地电极的位置一一对应)；
当气体的流动速度v为非恒定时，通过调节放电频率f来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的高频高压脉冲电源的脉冲宽度为纳秒级～微秒级。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的高频高压脉冲电源的脉冲频率大于0且小于50KHz。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的高压电极下方粘贴绝缘支撑，地电极下方粘贴绝缘支撑。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的绝缘支撑为云母板。其他与具体实施方式一相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，如图1-图2所示，具体是按以下步骤进行的：
将放电装置设置在气流出口使得气体在放电装置的两级之间进行电离；所述的放电装置的两级分别是高压电极和地电极，且放电装置的两级平行，放电装置的放电方向与气流方向垂直；放电装置的高压电极与高频高压脉冲电源4的正极连接，放电装置的地电极与高频高压脉冲电源4的负极连接；放电装置的地电极分为4个地电极，4个地电极并联且4个地电极沿着气流方向并列布置，上游地电极7靠近气流出口，下游地电极8远离气流出口；放电装置的高压电极分为4个高压电极，4个高压电极并联且4个高压电极沿着气流方向并列布置，上游高压电极5靠近气流出口，下游高压电极11远离气流出口；且4个高压电极与4个地电极的位置一一对应；
所述的高压电极下方粘贴绝缘支撑9，地电极下方粘贴绝缘支撑9，绝缘支撑9为云母板；气体运输管道3的入口与气罐1的出口连通，气体运输管道3与气罐1之间设置阀门2；
相邻两个地电极之间的距离L2为10mm，每个地电极沿着气体流动方向的长度L1为10mm；
高频高压脉冲电源4的脉冲频率为1kHz，高压电极与地电极的间距为5mm，放电电压幅值为30kV，气流速度范围为0m/s～100m/s；
对于固定输入气流，速度区间为10m/s至70m/s。测试结果表明，上游等离子体区域6放电强度减弱，靠近下游的三个放电区域放电强度有所提升，越远离气体出口的放电区域的强度越大。通过调节放电频率f、L1或L2来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2。
对于可变输入气流：测试结果表明，上游等离子体区域6放电强度减弱，靠近下游的三个放电区域放电强度有所提升，越远离气体出口的放电区域的强度越大。通过调节放电频率f来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2。
本试验利用上下游结构的放电装置，在气体流动通道内产生四个具有一定浓度的等离子体区域；在合理匹配放电频率与气流输运时间的条件下，利用气流的输运作用，将上游放电区域6产生的含能粒子输运至下游放电区域10内，提高了下游放电区域10内的初始含能粒子浓度；当下一次脉冲来临时，通过带电离子的碰撞级联放大机制，提高了下游放电区域10内的粒子浓度，实现了流动环境下放电强度的提高。

Claims (6)

1.一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，其特征在于气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体强化放电的方法是按以下步骤进行的：
将放电装置的两级设置在气流出口使得气体在放电装置的两级之间进行电离；所述的放电装置的两级分别是高压电极和地电极，且放电装置的两级平行，放电装置的放电方向与气流方向垂直；放电装置的高压电极与高频高压脉冲电源的正极连接，放电装置的地电极与高频高压脉冲电源的负极连接；放电装置的地电极分为n个地电极，n为大于等于3的整数，n个地电极并联且沿着气流方向并列布置，靠近气流出口的地电极为上游地电极，远离气流出口的地电极为下游地电极；放电装置的高压电极分为n个高压电极，n为大于等于3的整数，n个高压电极并联且沿着气流方向并列布置，靠近气流出口的地电极为上游高压电极，远离气流出口的地电极为下游高压电极，且n个高压电极与n个地电极的位置一一对应；
n个高压电极的尺寸相同，n个地电极的尺寸相同，且高压电极的尺寸与地电极的尺寸相同；每个地电极沿着气体流动方向的长度为L1，相邻两个地电极之间的距离为L2；在高频高压脉冲电源的脉冲间隔时间内，气体的输运距离大于等于L2且小于等于n-1倍的L2与n倍的L1之和，即L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2，v是气体的流动速度，f是高频高压脉冲电源的频率；
当气体的流动速度v为恒定时，通过调节放电频率f、L1或L2来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2；
当气体的流动速度v为非恒定时，通过调节放电频率f来调节输出强度，且满足L2≤v/f≤nL1+(n-1)L2。
2.根据权利要求1所述的一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，其特征在于利用气流的输运作用将1级至n-1级电极放电产生的含能粒子输运至2级至n级，提高了2级至n级的初始含能粒子浓度，利用含能粒子的预电离作用，当下一次放电脉冲来临时，利用粒子的雪崩效应，形成粒子浓度的级联放大，进而实现了2级至n级放电强度明显提升，且放电强度沿着气流的方向逐渐增强至饱和；通过调节n-1电极与n电极的间距，匹配带电粒子寿命，能够得到最优的输出放电强度。
3.根据权利要求1所述的一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，其特征在于所述的高频高压脉冲电源的脉冲宽度为纳秒～微秒级。
4.根据权利要求1所述的一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，其特征在于所述的高频高压脉冲电源的脉冲频率大于0且小于50KHz。
5.根据权利要求1所述的一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，其特征在于所述的高压电极下方粘贴绝缘支撑，地电极下方粘贴绝缘支撑。
6.根据权利要求4所述的一种气体流动环境下利用多上下游电极强化等离子体放电的方法，其特征在于所述的绝缘支撑为云母板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110784982A (zh) * 2019-10-24 2020-02-11 南京航空航天大学 一种等离子体射流装置
CN111706478A (zh) * 2020-06-18 2020-09-25 哈尔滨工业大学 一种离子风推力装置

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