脉冲调制射频大气压放电特性的实验研究

发布时间：2017-12-18 07:21

  本文关键词：脉冲调制射频大气压放电特性的实验研究

  更多相关文章： 脉冲调制射频大气压放电 有功功率 击穿电压 放电模式 脉冲波形演变

【摘要】：射频(Radio Frequency, RF)大气压辉光放电(Atmospheric Pressure Glow Discharges, APGDs)不仅不需要真空系统,同时还具有击穿电压低、易于产生大面积均匀等离子体的优点,因此RF APGD可应用于纳米表面改性、生物医学等领域。然而,在实际应用中,大气压连续波(Continuous Wave, CW) RF APGDs中的气体温升较高,这将限制该种放电的应用领域。为了降低CW RF APGDs的气体温度,国内外几个研究小组开始探索脉冲调制(Pulse-Modulated, PM) RF APGDs。尽管已有的PM RF APGDs研究工作揭示了脉冲调制参数对击穿特性、暂态演化、放电模式、斑图的影响,但仍然存在一系列尚待研究、探讨的重要问题。为此,本论文开展了以下研究：一、PM RF APGD功率计算1。采用己原位标定的分立型电压、电流探头测量PM RF APGDs中的电压、电流,利用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)计算PMRF APGDs的功率、相位角,分析计算结果发现： (1)在脉冲上升、下降阶段,脉冲放电功率出现振荡；在脉冲平顶段,振荡消失。(2)在脉冲下降沿的最后阶段,相位角小于-90°。推导了积分功率的解析表达式,同时采用DFT计算了负载功率和相位角,分析计算结果发现：功率振荡源于电容的净功率变化,振荡幅度随DFT采样窗口长度的增加或脉冲调制信号上升(下降)沿斜率的提高而增大。2.在给定的脉冲调制射频数值信号下,分析纯电容负载的DFT功率发现：在脉冲上升(下降)沿段,只有某些时刻的功率、相位角等于电容功率(0 W)和相位角(-90。)定义这些特殊时刻为零电容功率时刻。在不同类型RC负载下,分析了零电容功率时刻、相位角极值之间的关系,得到了二者之间的经验公式,由此可以确定PM RF APGD的有功功率,具体步骤如下： (1)利用DFT计算PM RF APGD功率和相位角； (2)在上升(下降)沿段,找相位角最小(大)值的时刻,由经验公式计算零电容净功率时刻；(3)零电容净功率时刻的对应功率、相位角即为PM RF APGD的有功功率、真实相位角。3.利用数值计算方法研究了有功功率DFT计算值的误差,发现了不同负载类型、阻抗比、阻抗相位角对有功功率DFT计算值的误差影响较小,而PM RF信号上升(下降)沿斜率对有功功率DFT计算值的误差影响很大,有功功率DFT计算值误差随上升(下降)沿斜率增大而减小。在实验中,将光电倍增管采集的放电光强信号与DFT计算的PM RFAPGD有功功率比较,证实了有功功率计算方法的可行性。PM RF APGD击穿特性1.提出了利用放电有功功率急剧增加处的拐点判断气体击穿、获得击穿电压的新方法。由此研究了平均等离子体吸收功率、脉冲关断时间对击穿电压的影响。研究发现：在脉冲频率较低时,击穿电压随着平均等离子体吸收功率的增加而提高；在脉冲频率较高时,击穿电压随着平均等离子体吸收功率的增加而降低。在相同的平均等离子体吸收功率下,占空比越高击穿电压越低。击穿电压随脉冲关断时间的变化行为表现出三个明显不同的特征： (A)在脉冲关断时问大于10 ms的区域内,击穿电压随关断时间的降低仅稍微减小； (B)在脉冲关断时问大于0.05 ms而小于10 ms的区域内,击穿电压随脉冲关断时间的减小而快速降低； (C)在脉冲关断时间小于0.05 ms的区域内,击穿电压随关断时间的降低而缓慢减小2.研究了脉冲关断时间对击穿延迟时间的影响,研究发现击穿延迟时间随脉冲关断时间的变化也呈现出三个明显不同的特征：(Ⅰ)在长脉冲关断时间区间(大于4.56 s),击穿延迟时间几乎不变； (Ⅱ)在中等脉冲关断时间区间(10 ms-4.56 s),击穿延迟时间随关断时间减小快速降低； (Ⅲ)在短脉冲关断时间区间(小于10 ms),击穿延迟时间随关断时间降低而缓慢减小。根据击穿电压随脉冲关断时间变化的特征,分析了带电粒子在放电余晖阶段经历的三种不同扩散损失机制。在不同脉冲关断时间下改变放电气体中氮气／氩气比例,在实验上证实了氮原子在氧化铝表面上的复合过程对击穿延迟时间的影响。3.在大范围关断时间区域中,研究获得了PM RF APGD击穿段的发光特性： (1)在关断时间大于50 ms的区域中,击穿发生在随机变化的局部位置； (2)在关断时间为10ms-50 ms的区域中,随机击穿点的个数随关断时间减小而增加,随机性减弱； (3)在关断时间为0.05ms-10ms的区域中,击穿为均匀辉光；(4)在关断时间为0.04 ms-0.05ms的区域中,击穿时斑图与辉光共存； (5)在关断时间小于0.04 ms的区域中,击穿为斑图。在击穿之后,不同时间区域的放电形状、大小随时问改变：当关断时间处于(1)或(2)特征区域时,击穿后的放电沿径向跳跃性地向外扩张,随后再逐渐发展成为均匀辉光,发展成均匀辉光所需时间与脉冲关断期间的种子电子扩散有关；当关断时间处于(3)特征区域时,种子电子在余晖阶段的扩散过程既满足了均匀击穿的要求,又避免空间不均匀性的积累性传递,击穿和后续放电均为均匀辉光；当关断时间处于(4)或(5)特征区域时,击穿后的放电为斑图-辉光共存或斑图。4.在脉冲占空比不变的条件下研究了首次击穿放电,实验表明击穿电压随脉冲频率的增加而提高,通过分析确定击穿电压与击穿延迟时间之间的关系是造成这种变化的原因。三、PM RF APGD模式转化首次在PM RF APGD中证实了α-γ模式转变。与CW RF APGD的α-γ模式转变相比,PM RF APGD的α-γ模式转变电压大于CW RF APGD的α-γ模式转变电压,且随占空比的增加而减小。结合PM RF APGD气体温度、α-γ模式转化临界电压随占空比的变化特点,讨论、解释了PM RF APGD的放电电流随脉冲占空比的变化规律。采用高速相机研究了PM RF APGD勺时间演变,结果发现：当脉冲射频电压足够高时,在脉冲的上升段PM RF APGDs即经历了α-γ模式过程。四、PM RF APGD电压、电流波形研究为了解释复杂的PM RF APGD的脉冲波形,首先研究了CW RF APGD中正、负反馈效应,发现随着放电功率的增加,正、负反馈区边界对应的匹配网络串联电容值减小,采用放电系统的简化电路模型研究分析了正、负反馈区,由此研究了正、负反馈对脉冲电压、电流波形、放电功率时间演化的影响。当放电处于负反馈区时,脉冲电压、电流波形和放电功率在脉冲开始阶段出现尖峰；当放电处于正反馈区时,脉冲初始阶段的尖峰消失。脉冲波形不仅与放电正、负反馈区有关,还受脉冲调制射频信号上升沿长度、放电功率的影响。当脉冲调制射频信号上升沿长度为5 ns时,脉冲放电波形的演化过程较复杂,当脉冲调制射频信号上升沿长度为15 μs时,脉冲放电波形中的过冲、下冲减弱,对应的波形演化过程相对简单。当匹配网络串联电容值接近正、负反馈区边界对应的电容值且放电功率较高时,在一个脉冲内放电由正反馈区进入负反馈区,在脉冲开始阶段的尖峰高度增加。尖峰后段的下冲程度与放电反馈区、放电功率、上升沿长度和脉冲关断时间有关,当脉冲上升沿长度较短、关断时间为中等值且PM RF APGD处于负反馈区时,高放电功率下脉冲放电产生严重下冲,脉冲放电出现暂时熄灭、随后二次击穿的现象。另外还研究了射频电压、电流波形,发现击穿放电后的射频电压、电流波形存在变形,电流波形的变形比电压波形严重。DFT分析表明,波形中含有奇数倍的谐波成分。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;O461
，

本文编号：1303317