大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究.pdf

第26卷第4期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．26，No．4 HIGHPOWERLASERAND 2014年4月 PARTICLEBEAMS Apr．，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”，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150as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 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[1。3]。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， 冲流注放电和弥散放电等[9]。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 as、脉宽30～ 点。研究人员采用不同方式以获得较为均匀的大气压等离子体口乱15]。邵涛等n叩采用上升沿15 40as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 冲上升时间远小于空气场致电离时间条件下获得。Pai等n胡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 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25as、脉宽40ns的重复频率纳秒脉 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[16。2…。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 kPa。所建立的实验装置示意图如 实验是在敞开的空气环境下进行的，实验温度为20℃左右，气压为98 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 ns，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o～ 的脉冲上升时间为100 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。实验中采用针一板电极结构，高压电 mm×100 极采用直径1mm的铜针，其长度为40mm。接地电极采用面积100 mm的I