大氣壓空氣中獲取環(huán)狀均勻等離子體的實(shí)驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域。特別是涉及一種利用雙極性納秒脈沖電源驅(qū)動，使用環(huán)狀管式電極結(jié)構(gòu)，在大氣壓空氣中獲得均勻環(huán)狀介質(zhì)阻擋表面放電的低溫等離子體技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]表面放電，尤其是表面介質(zhì)阻擋放電，具有廣泛的應(yīng)用，如氣流控制器，臭氧發(fā)生器，表面處理，以及污染物處理等。一般來說，表面介質(zhì)阻擋放電具有平板式“三明治”結(jié)構(gòu)，即介質(zhì)板夾在兩個電極之間，且不存在放電間隙。然而，這種平板式放電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等離子體通常覆蓋在介質(zhì)板表面，沒有固定的邊界，很難將產(chǎn)生的等離子體限制在一定空間內(nèi)。這使其在應(yīng)用上，尤其是氣態(tài)污染物的處理上，具有相當(dāng)?shù)睦щy。管式結(jié)構(gòu)可以限制等離子體的產(chǎn)生范圍，因此廣泛地利用于氣體污染物處理等領(lǐng)域，然而，傳統(tǒng)的線-管式結(jié)構(gòu)又受到正負(fù)電極間隙的限制，導(dǎo)致管式結(jié)構(gòu)的體積不能過大。在環(huán)式結(jié)構(gòu)中，正負(fù)電極緊貼于介質(zhì)管的兩壁，既能產(chǎn)生表面放電，又不會受到電極間隙的限制，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在氣態(tài)污染物的處理等方面。
[0003]表面放電的激勵方式通常有納秒脈沖電源和傳統(tǒng)的正弦交流電源。在正弦交流電源驅(qū)動下，介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)很難在大氣壓空氣中產(chǎn)生均勻而彌散的等離子體，且極易使放電轉(zhuǎn)化為弧光、火花等模式。工作氣體中的離子和中性粒子在連續(xù)的交流電場下獲得能量，熱運(yùn)動加劇，導(dǎo)致等離子體的氣體溫度升高，對于待處理材料和放電裝置本身都會產(chǎn)生一定的損害。同時，交流電源激勵產(chǎn)生等離子體的裝置還具有能量利用率低、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。納秒脈沖電源在同樣條件下可以產(chǎn)生氣體溫度接近室溫的等離子體，并且具有很高的能量利用率。這是由于脈沖電壓具有陡峭的上升沿和較短的脈沖持續(xù)時間，使得電子在快速上升的電場中獲得較大程度的加速，而質(zhì)量較大迀移率較低的離子和中性粒子則很難在極短的時間內(nèi)獲得能量，熱運(yùn)動程度幾乎不變。同時，高能電子會與工作氣體中的其它粒子發(fā)生碰撞、激發(fā)、電離，產(chǎn)生大量活性物種，正是這些活性物種促進(jìn)了進(jìn)一步的改性和處理等應(yīng)用。納秒脈沖電源的另一大優(yōu)勢在于，其激勵產(chǎn)生的介質(zhì)阻擋放電是一種在大氣壓空氣中產(chǎn)生均勻彌散狀等離子體的有效方式，可以抑制放電由均勻模式向不穩(wěn)定的絲狀、火花、電弧放電等模式轉(zhuǎn)變。因此，納秒脈沖電源激勵產(chǎn)生等離子體的裝置和方法備受國內(nèi)外實(shí)驗室重視，在材料改性、表面處理、大氣污染物處理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]專利CN1749663A提出了一種表面放電裝置，并利用于空氣的凈化和處理，然而這種放電結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的平板式結(jié)構(gòu)，需要另外的附加裝置才能利用與空氣凈化。專利CN104853513A設(shè)計了一種線-管式電極結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生大面積均勻介質(zhì)阻擋放電，但是該裝置需要在純氮?dú)猸h(huán)境下實(shí)現(xiàn)，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且線-管式電極結(jié)構(gòu)由于放電間隙的限制很難擴(kuò)展放電裝置的體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決傳統(tǒng)表面放電不均勻，等離子體邊界不確定，能量利用率低等問題，本發(fā)明提供了大氣壓空氣中獲取環(huán)狀均勻等離子體的實(shí)驗裝置，主要由環(huán)式電極，雙極性納秒脈沖電源，電學(xué)診斷系統(tǒng)，光學(xué)診斷系統(tǒng)，和圖像采集系統(tǒng)組成。
[0006]環(huán)式電極主要由管式高壓電極，石英介質(zhì)管和管式地電極組成;管式地電極緊密包裹在石英介質(zhì)管外粘貼固定，并通過導(dǎo)線牢固接地;管式高壓電極探入到石英介質(zhì)管內(nèi)，管式高壓電極的頂端處于地電極底端稍下的位置。管式高壓電極通過導(dǎo)線連接至雙極性納秒脈沖電源;管式高壓電極和管式地電極之間形成環(huán)形放電區(qū)域;雙極性納秒脈沖電源置于雙層屏蔽箱內(nèi)，并牢固接地。
[0007]電學(xué)診斷系統(tǒng)由高壓探頭，電流探頭和數(shù)字示波器組成；電壓信號經(jīng)過連接在管式高壓電極和雙極性納秒脈沖電源之間導(dǎo)線上的高壓探頭傳遞給數(shù)字示波器，電流信號經(jīng)過連接在管式地電極和接地之間導(dǎo)線上的電流探頭傳遞給數(shù)字示波器;實(shí)時的放電電壓和放電電流信號由數(shù)字示波器測量并顯示;通過測量得到的電壓、電流波形，觀察波形半高寬，可以得出放電次數(shù)、放電弛豫時間、放電功率，以此判斷放電的穩(wěn)定性。
[0008]光學(xué)診斷系統(tǒng)由光纖探頭，光纖，高分辨率光柵單色儀，電荷耦合器件和計算機(jī)組成;將高分辨率光柵單色儀，電荷耦合器件和計算機(jī)置于雙層屏蔽室內(nèi)，并牢固接地;光纖探頭固定在能夠采集到放電等離子體光信號的任意位置;光信號通過光纖進(jìn)入高分辨率光柵單色儀進(jìn)行分光，分光后的單色光信號經(jīng)過電荷耦合器件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后由計算機(jī)處理，并以光譜圖形式呈現(xiàn)。
[0009]圖像采集系統(tǒng)為數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)可以放置在能夠采集到等離子體放電形貌的任意位置，調(diào)節(jié)合適的曝光時間、光圈、感光度，即可獲得放電圖像。
[0010]管式高壓電極頂端距離管式地電極底端的間距范圍為3-7mm，管式高壓電極的外徑須與石英介質(zhì)管的內(nèi)徑一致;管式高壓電極的厚度范圍為0.8-1.5mm，外徑范圍為4-8mm，內(nèi)徑范圍為2-6mm;石英介質(zhì)管的厚度范圍為1-1.5mm，外徑范圍為6- 10mm，內(nèi)徑范圍為4-8mm;管式地電極緊密包裹在石英介質(zhì)管外，厚度范圍為0.01-0.05mm。
[0011]大氣壓空氣中獲取環(huán)狀均勻等離子體的實(shí)驗裝置的實(shí)驗方法包括如下步驟:
[0012]步驟1:組裝環(huán)式電極;將管式高壓電極探入石英介質(zhì)管內(nèi)并固定;將管式地電極緊密包裹在石英介質(zhì)管外粘貼固定，并確定管式高壓電極頂端與管式地電極底端的間距為3-7mm;通過導(dǎo)線連接管式高壓電極和雙極性納秒脈沖電源，將管式地電極牢固接地，按照測量需要將環(huán)式電極結(jié)構(gòu)固定。
[0013]步驟2:啟動電學(xué)診斷系統(tǒng);將電學(xué)診斷系統(tǒng)接入電路，檢查無誤后，打開數(shù)字示波器，調(diào)節(jié)電壓和電流信號的輸入頻道量程至最大，確定觸發(fā)方式和信號平均次數(shù)。
[0014]步驟3:啟動光學(xué)診斷系統(tǒng);連接光信號傳播、診斷系統(tǒng)，確認(rèn)無誤后，按照測量需要將光纖探頭對準(zhǔn)放電區(qū)域并固定，打開高分辨率光柵單色儀，電荷耦合器件，和計算機(jī)，啟動Solis軟件;待計算機(jī)識別高分辨率光柵單色儀和電荷耦合器件后，按照測量需求選擇合適的光柵型號，確定光譜測量波長范圍和曝光時間，等待高分辨率光柵單色儀和電荷耦合器件冷卻至_70°C以下方可進(jìn)行下一步操作。
[0015]步驟4:啟動圖像采集系統(tǒng);將數(shù)碼相機(jī)固定在三腳架上，選擇合適的拍攝方位、曝光時間、光圈、感光度等。
[0016]步驟5:檢查步驟I至步驟4，確認(rèn)無誤后，打開雙極性納秒脈沖電源；按照測量需要，先調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率，再調(diào)節(jié)脈沖峰值電壓;放電開始后，在管式高壓電極和管式地電極之間，產(chǎn)生均勻而彌散的環(huán)狀表面放電等離子體，通過電學(xué)診斷系統(tǒng)、光學(xué)診斷系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)分別記錄電壓電流波形、發(fā)射光譜、放電圖像;記錄完畢后，將脈沖峰值電壓和脈沖重復(fù)頻率調(diào)至零點(diǎn)，關(guān)閉雙極性納秒脈沖電源，放電和測量結(jié)束。
[0017]步驟6:根據(jù)步驟5中采集的放電圖像，可以觀察放電等離子體的形貌;根據(jù)步驟5中記錄的電壓、電流波形和發(fā)射光譜，可以計算放電功率、等離子體中活性物種的種類和濃度、等離子體振動溫度和轉(zhuǎn)動溫度、等離子體電子密度等，分析等離子體的均勻性和非平衡度等重要特性。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:(I)利用環(huán)式電極，在大氣壓空氣中獲得了環(huán)狀表面放電等離子體；(2)獲得的環(huán)狀表面等離子體是均勻而彌散的，且具有高度非平衡性；(3)獲得的環(huán)狀表面等離子體存在于石英介質(zhì)管內(nèi)，具有明確的邊界；(4)設(shè)計的環(huán)式電極結(jié)構(gòu)可以突破放電電極和介質(zhì)管的徑向尺寸限制；(5)可以利用光學(xué)診斷系統(tǒng)、電學(xué)診斷系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)，對于產(chǎn)生的環(huán)狀表面等離子體進(jìn)行實(shí)時的特性診斷，確定放電等離子體的形貌，分析放電機(jī)理以及放電等離子體中的活性物種，便于進(jìn)一步的研究和工業(yè)應(yīng)用。本發(fā)明利用納秒脈沖電源，結(jié)合環(huán)式電極結(jié)構(gòu)，在大氣壓空氣中獲得了均勻的環(huán)狀表面放電等離子體，并且具有較高的非平衡度。同時，環(huán)式電極結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要選擇合適的尺寸，不受傳統(tǒng)線_管式電極放電間隙的限制，解決了傳統(tǒng)表面放電不均勻、等離子體邊界不受限等問題。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的主視圖和側(cè)視圖。
[0021 ]圖中:1.管式高壓電極;2.石英介質(zhì)管;3.管式地電極;4.雙極性納秒脈沖電源;5.高壓探頭;6.電流探頭;7.數(shù)字示波器;8.光纖探頭;9.光纖；10.高分辨率光柵單色儀；11.電荷耦合器件;12.計算機(jī);13.雙層屏蔽室；14.雙層屏蔽箱;15.接地;16.數(shù)碼相機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0023]環(huán)式電極由管式高壓電極1，石英介質(zhì)管2，和管式地電極3組成。管式高壓電極I探入到石英介質(zhì)管2內(nèi)，通過導(dǎo)線連接至雙極性納秒脈沖電源4。管式地電極3緊密包裹在石英介質(zhì)管2外，通過導(dǎo)線牢固接地。管式高壓電極I頂端和管式地電極3底端的間距為5mm，期間形成放電區(qū)域。
[0024]雙極性納秒脈沖電源4，可以在正負(fù)方向上交替產(chǎn)生相同的窄脈沖電壓波形，脈沖上升時間約為30-40ns，脈寬約為60ns，脈沖峰值電壓在0-60kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，脈沖重復(fù)頻率在O - 400Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。雙極性納秒脈沖電源4置于雙層屏蔽箱14內(nèi)，并牢固接地15ο
[0025]電學(xué)診斷系統(tǒng)由高壓探頭5，電流探頭6，和數(shù)字示波器7組成。電壓信號經(jīng)過連接在管式高壓電極I和雙極性納秒脈沖電源4之間導(dǎo)線上的高壓探頭5傳遞給數(shù)字示波器7，電流信號經(jīng)過連接在管式地電極3和接地15導(dǎo)線之間的電流探頭6傳遞給數(shù)字示波器7。實(shí)時的放電電壓和放電電流信號由數(shù)字示波器7測量并顯示。通過測量得到的電壓、電流波形，觀察波形半高寬，可以得出放電次數(shù)、放電弛豫時間、放電功率等，以此判斷放電的穩(wěn)定性。
[0026]光學(xué)診斷系統(tǒng)由光纖探頭8，光纖9，高分辨率光柵單色儀10，電荷耦合器件11，和計算機(jī)12組成，置于雙層屏蔽室13內(nèi)，并牢固接地15。采集光信號時，光纖探頭8由光具座固定于光學(xué)平臺上，正對放電區(qū)域。光信號通過光纖9收集，進(jìn)入高分辨率光柵單色儀10進(jìn)行分光，分光后的單色光信號經(jīng)過電荷耦合器件11轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后由計算機(jī)12處理，以光譜圖形式呈現(xiàn)。放電等離子體中存在大量的激發(fā)態(tài)活性物種，在退激發(fā)過程中，這些活性物種發(fā)射光信號，而這些光信號與活性物種的種類、濃度有關(guān)。通過分析采集的光信號，可以判斷放電等離子體中存在的活性物種及其所