射频大气压放电中阻抗匹配及能量传输效率研究

发布时间：2020-04-15 04:30

【摘要】：射频大气压放电具有击穿电压低、辉光放电均匀、密度高等优点,但放电中气体温度高的缺点限制了它的应用领域。脉冲调制射频大气压放电解决了连续波射频大气压放电中气体温度高的问题,但是同时产生了不期望的不均匀斑图放电。在课题组现有阻抗匹配条件下进行脉冲调制放电时,发现小范围改变载波频率影响放电斑图时空稳定性。初步分析认为放电斑图不稳定性不仅与载波频率有关,还可能与阻抗匹配(匹配方式、匹配元件阻值)有关。在连续波射频放电中已发现,随着激励频率升高,α模式放电范围增加,脉冲调制下载波频率对α-γ模式转换的影响尚需进一步研究。不同频率下的放电阻抗还与其他具体放电条件有关,不仅需要不同的阻抗匹配网络,最佳阻抗网络参数也需要具体研究。另外,随着频率升高,杂散参数对射频电路的影响增大,阻抗匹配更加复杂。为了课题组将来研究载波频率对脉冲调制射频大气压放电斑图以及α-γ模式转换的影响,本文研究了不同激励频率下射频放电的阻抗匹配网络,分析了不同匹配网络及激励频率对匹配带宽和能量传输效率的影响,并提出了优化阻抗匹配方法。具体的研究内容以及得到的结论如下:1.研究了不同激励频率下射频放电的阻抗匹配。设计了3 MHz-40 MHz频率范围的阻抗匹配网络,实验发现:在相同激励频率下,匹配网络中的电感越小,匹配网络的带宽越大,放电系统也更稳定。2.在连续波以及脉冲调制放电条件下,比较了射频功放面板数显功率P_(AR)、Z-Scan测量功率P_(zscan)和等离子体平均吸收功率(?)_(pa)。在连续波放电时,P_(AR)P_(zscan)(?)_(pa),三个功率值呈准线性关系;在脉冲调制放电时,P_(AR)随占空比的变化偏离线性,且功率数值高于真实值;P_(zscan)、(?)_(pa)随占空比的变化均呈准线性,低占空比下的P_(zscan)小于(?)_(pa),与射频能量传输矛盾。经分析知:射频功放面板功率计、Z-Scan采用连续波测量模式,内部滤波电路的影响不能准确测量脉冲功率,只能用于实验中功率高低的简单指示。3.研究了匹配网络和激励频率对匹配带宽及能量传输效率的影响,得到以下结论:(a)在相同的阻抗匹配网络下,激励频率越低,频带越宽。(b)在相同激励频率下匹配网络中的电感越小,对应欧姆损耗越低,电流谐波分量更大,匹配网络的能量传输效率越高。(c)在正常辉光放电区,能量传输效率随着等离子体吸收功率增加而快速增大,当放电由正常辉光放电区进入反常辉光区时,能量传输效率取得局部最大值,在反常辉光区,随等离子体吸收功率的增加,能量传输效率基本保持不变,当放电进入γ模式,在α-γ模式转变点,能量传输效率有一小段激增再趋于平缓。(d)在3 MHz-40 MHz频率范围,能量传输效率随着激励频率的增加而提高。随激励频率增加,一方面,趋肤效应导致匹配网络中电感的有效过流面积降低,但阻抗匹配所需要的电感(长度)减小,电感的实际有效电阻下降,对应的欧姆损耗降低。另一方面,随着激励频率增加,电子捕获效应增强,等离子体吸收电阻增加。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O53;O461

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