三電極冷等離子體射流放電特性及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來(lái)，低溫等離子體研究領(lǐng)域中，大氣壓冷等離子體射流放電成為研究熱點(diǎn)之一。不同于受放電區(qū)域空間狹小等因素限制的傳統(tǒng)大氣壓介質(zhì)阻擋放電技術(shù)，大氣壓冷等離子體射流放電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了放電區(qū)與等離子體射流區(qū)的分離，即在放電區(qū)形成富集電子、離子、激發(fā)態(tài)原子、分子及自由基等活性粒子的等離子體，通過(guò)電場(chǎng)與氣流場(chǎng)的作用，將富能活性粒子輸運(yùn)到放電區(qū)外的開(kāi)放空間形成射流狀等離子體。因此，大氣壓冷等離子體射流在保持氣體溫度低的同時(shí)能夠保持較高濃度化學(xué)活性成分。由

2、于具有操作快捷及成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，大氣壓射流等離子體無(wú)論是在材料合成、加工及改性等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，還是在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境及化工等新興工程學(xué)應(yīng)用上都表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，在一些特殊領(lǐng)域（溫度敏感材料、復(fù)雜形狀工件等）更是體現(xiàn)了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
　　為能夠大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，必須對(duì)射流等離子體源技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，特別是增大射流等離子體的體積和截面積。為此，不僅需要診斷等離子體射流的基本參數(shù)，以便能夠弄清楚等離子體射流產(chǎn)生及發(fā)展的

3、基本物理過(guò)程，而且還需要對(duì)冷等離子體射流的放電放大技術(shù)和機(jī)理進(jìn)行探索。為此，本文以冷等離子體射流作為對(duì)象展開(kāi)了以下研究，并取得了相應(yīng)研究結(jié)果:
　　1.提出了一種新型的級(jí)聯(lián)式三電極介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)，三個(gè)電極分別為驅(qū)動(dòng)極、輔助極和接地極。以氬氣以及氬氣和氮?dú)饣旌蠚鉃楣ぷ鳉怏w，用常用DBD交流電源驅(qū)動(dòng)，在近大氣壓（750 Torr）下實(shí)現(xiàn)一種較大尺寸的類輝光放電流冷等離子體，直徑可達(dá)數(shù)厘米。相比于傳統(tǒng)的介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流，射流

4、截面直徑增加了數(shù)倍。研究證實(shí):放電區(qū)可以區(qū)分為相連的兩個(gè)區(qū)域，其中輔助電極與接地極之間形成了等離子體射流。比對(duì)放電電流及電壓波形，可以確認(rèn)兩個(gè)放電區(qū)具有密切相關(guān)性。研究了射流區(qū)的發(fā)射光譜，計(jì)算了射流區(qū)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度，發(fā)現(xiàn):不同放電條件下，射流轉(zhuǎn)動(dòng)溫度為300 K左右，振動(dòng)溫度為1800 K左右，可見(jiàn)射流等離子體屬于非平衡狀態(tài)。通過(guò)分析射流區(qū)照片亮度分布，表征了射流等離子體的空間分布。
　　2.三電極放電結(jié)構(gòu)不僅在常用DBD放

5、電電源的頻率范圍內(nèi)可產(chǎn)生冷等離子體射流，而且采用工業(yè)頻率13.56MHz的射頻電源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變功率的大小，亦可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放電。細(xì)致研究了放電狀態(tài)及其演變過(guò)程，得到了放電區(qū)的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度隨功率改變的變化趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)放電的α模式，α+γ模式，γ模式階段可用溫度來(lái)區(qū)分。還進(jìn)一步探究了在氬氣工作氣體中加入氧氣，以增加化學(xué)活性粒子的種類的可行性。研究了氧氣混合對(duì)放電特性的影響，確定了氧氣的摻入最佳比例為0.9％。
　　3.在三電極結(jié)構(gòu)

6、的第一級(jí)DBD放電中發(fā)現(xiàn)了新型非線性現(xiàn)象。由于第一級(jí)環(huán)-環(huán)型電極的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，其中的DBD放電表現(xiàn)出了多種時(shí)空有序的自組織放電現(xiàn)象，可分為兩種:DBD放電通道的斑圖結(jié)構(gòu)，即空間域上的自組織現(xiàn)象;DBD放電通道電流的周期倍增現(xiàn)象，即時(shí)間域上的有序化現(xiàn)象。為了探索第一級(jí)DBD放電通道之間的斑圖放電行為，設(shè)計(jì)了一種環(huán)-板結(jié)構(gòu)的電極，這種電極結(jié)構(gòu)具有高度幾何對(duì)稱性，可消除不規(guī)則邊界或者電極端點(diǎn)等特殊幾何條件的影響，亦可避免原結(jié)構(gòu)中放電間隙不均勻的

7、缺點(diǎn)。利用這種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三種不同的放電模式:即自組織斑圖、擴(kuò)散放電模式及絲狀放電模式。在一定的放電條件區(qū)間內(nèi)，可以產(chǎn)生穩(wěn)定對(duì)稱的斑圖結(jié)構(gòu)。由于圓環(huán)電極的獨(dú)特設(shè)計(jì)，在斑圖模式中，每個(gè)斑點(diǎn)的對(duì)應(yīng)放電通道在放電體系中具有等同地位，從而形成一種穩(wěn)定且高度對(duì)稱的放電圖案。研究了外加電壓、電源頻率及氣體組分等對(duì)斑圖結(jié)構(gòu)的影響，證實(shí)了斑圖中各斑點(diǎn)放電通道之間的部分全同性。
　　4.為了研究單一DBD放電通道的周期倍增行為，將第一級(jí)DBD環(huán)-環(huán)

8、電極變形為針-板結(jié)構(gòu)，以穩(wěn)定形成單一的DBD放電通道。周期倍增放電現(xiàn)象是一種在特定放電條件下放電電流脈沖重復(fù)周期的多種倍增結(jié)構(gòu)。利用針板電極結(jié)構(gòu)，在較大的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了一種漸變式二倍周期放電模式。從近大氣壓到數(shù)托量級(jí)之間的氣壓范圍內(nèi)，這種模式均能發(fā)生。研究放電V-I波形，確定了二倍周期放電模式漸變特性。改變氣壓和驅(qū)動(dòng)頻率等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得出了電壓-氣壓-頻率構(gòu)成的相空間中這種二倍周期放電模式的存在域，確認(rèn)了這種二倍周期放電模式的穩(wěn)

9、定性和普遍性。本文認(rèn)為這種二倍周期模式不是非線性系統(tǒng)分岔動(dòng)力學(xué)機(jī)制所致，而是介質(zhì)層表面充放電的周期性引起的，由此提出了二倍周期現(xiàn)象的一種新機(jī)制。
　　5.冷等離子體射流的不同應(yīng)用領(lǐng)域要求在不同的混合氣體中都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放電，以產(chǎn)生各類活性成分。針對(duì)新發(fā)展的冷等離子體射流放電技術(shù)，選擇了兩種應(yīng)用背景，開(kāi)展了混合氣體射流放電的研究。(1)為了提高射流放電的密度和狀態(tài)可控性，針對(duì)含O2混合氣體，設(shè)計(jì)了直流增強(qiáng)式三電極DBD放電射流發(fā)生裝置

10、。其中懸浮電極施加交流驅(qū)動(dòng)，并與接地極構(gòu)成環(huán)-板DBD構(gòu)型，驅(qū)動(dòng)電極施加直流電壓，以增強(qiáng)射流放電，實(shí)現(xiàn)了直流增強(qiáng)型大直徑氧氣射流等離子體。改變直流電壓，研究了臭氧的產(chǎn)生規(guī)律，隨著直流電壓升高，臭氧的濃度逐漸升高，直至達(dá)到一定峰值，然后逐漸降低，但仍高于無(wú)直流增強(qiáng)放電的臭氧濃度。(2)在含CH3I混合氣體中，實(shí)現(xiàn)了大通量的碘原子產(chǎn)生。為此，在三電極射流放電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將懸浮電極用一個(gè)大體積的介質(zhì)瓶代替，形成了一種獨(dú)特的三電極放電射流引出結(jié)