介質(zhì)阻擋放電中離子濃度與電場(chǎng)頻率的關(guān)系

周建綱

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116622)

0 引 言

盡管目前氣體放電分析有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但總的來(lái)說(shuō)，目前產(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機(jī)理尚不清楚，在高氣壓下等離子體的輸運(yùn)特性研究也剛剛起步[1]。在這樣理論體系尚未建立起來(lái)的背景條件下，實(shí)驗(yàn)研究就顯得更加必要與迫切。影響介質(zhì)阻擋放電離子濃度的因素有很多，本文用實(shí)驗(yàn)方法探討外加電場(chǎng)頻率變化對(duì)離子濃度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)研究電場(chǎng)頻率對(duì)離子濃度的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)所用主要儀器及實(shí)驗(yàn)方法

1.1.1實(shí)驗(yàn)流程示意圖(見(jiàn)圖1)

1.1.2實(shí)驗(yàn)所用主要儀器

本實(shí)驗(yàn)主要儀器包括VW-0.42/7空氣壓縮機(jī)、NF-12高效精密過(guò)濾器、LZB-40玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、KA-22 型熱式風(fēng)速計(jì)、DPM100型智能數(shù)字壓力表及自制的空氣流速勻速器等。

實(shí)驗(yàn)采用自制的大氣壓非平衡等離子體源(見(jiàn)圖2)，采用TDGC2調(diào)壓器來(lái)調(diào)節(jié)供給高頻高壓電源的電壓；用自制的GGDY 型高頻(1～20 kHz)高壓(2～20 kV)電源為大氣壓非平衡等離子體源提供所需的電壓。電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是由SSZ40 型脈沖電流傳感器、HV-60 型高壓脈沖電壓傳感器、DS-8606A 型數(shù)字存儲(chǔ)示波器和靜電高壓電壓表Q4 、DLY-3型大氣離子濃度測(cè)量?jī)x等組成。

當(dāng)高頻高壓電源產(chǎn)生的激勵(lì)電壓被加到放電電極上，在調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓逐漸增大的過(guò)程中，放電間隙的空氣被擊穿，由于使用了特制的電介質(zhì)阻擋片，避免了火花或弧光放電的出現(xiàn)，呈現(xiàn)的是介質(zhì)阻擋放電中的強(qiáng)電離放電。

1.空氣壓縮機(jī)；2.過(guò)濾器；3.空氣流量控制閥；4.流量計(jì)；5.氣體勻速器；6.壓力表；7. 高頻高壓電源；8. 大氣壓非平衡等離子體源；9.拖曳離子氣體 ；10.電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)； 11. 等離子濃度檢測(cè)儀

圖1實(shí)驗(yàn)流程示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the experimental flow

A.大氣壓非平衡等離子體源正剖面圖

1. 高頻高壓電源； 2. 氣流入口；3.氣體放電間隙(電離放電區(qū)域)；4. 特制電介質(zhì)阻擋片； 5.放電極； 6. 接地極； 7. 隔片； 8.氣流出口；9. 氣體放電產(chǎn)生時(shí)放電間隙的電離強(qiáng)度照片

B.大氣壓非平衡等離子體源照片

1.1.3實(shí)驗(yàn)方法

本文所指的頻率是指高壓電源為大氣壓非平衡等離子體源提供的交流激勵(lì)電壓Uext的頻率，離子濃度是指(順氣流方向)距大氣壓非平衡等離子體源10 cm處的離子濃度，通過(guò)DLY-3 型大氣離子濃度測(cè)量?jī)x在該處測(cè)量獲得。折合場(chǎng)強(qiáng)是放電電極與介質(zhì)阻擋陶瓷(Al2O3)片之間放電間的折合場(chǎng)強(qiáng)，即放電間隙中流動(dòng)空氣的電場(chǎng)強(qiáng)度與空氣分子數(shù)密度的比值。本實(shí)驗(yàn)的折合電場(chǎng)強(qiáng)度為323Td。實(shí)驗(yàn)步驟是將折合電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)至為323Td，進(jìn)行頻率與DLY-3 型大氣離子濃度測(cè)量?jī)x顯示的數(shù)值ns之間的關(guān)系的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)所用的大氣壓非平衡等離子體源介質(zhì)阻擋層厚度和放電間隙均為0.64 mm，空氣流量為14 m3/h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)頻率與離子濃度之間關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1及圖3。另外，表中所列高壓電源頻率4.7～10 kHz對(duì)應(yīng)的12個(gè)電壓波形圖分別由圖4～15給出，每個(gè)波形的右下角都有頻率值的標(biāo)出，這也是本實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻率的方法。

1.2 離子濃度與頻率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

頻率對(duì)離子濃度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1及圖3。

表1 頻率對(duì)離子濃度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 頻率對(duì)離子濃度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 頻率為4.7kHz的波形圖

圖5 頻率為5.0kHz的波形圖

圖6 頻率為5.5kHz的波形圖

圖7 頻率為6.0kHz的波形圖

圖8 頻率為6.5kHz的波形圖

圖9 頻率為7.0kHz的波形圖

圖10 頻率為7.5kHz的波形圖

圖11 頻率為8.0kHz的波形圖

圖12 頻率為8.5kHz的波形圖

圖13 頻率為9.0kHz的波形圖

圖14 頻率為9.5kHz的波形圖

圖15 頻率為10.0kHz的波形圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)繪制的曲線(xiàn)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出：當(dāng)折合電場(chǎng)強(qiáng)度和空氣流量在某個(gè)確定值時(shí)，離子濃度隨著高壓電源頻率增大而增大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以這樣來(lái)解釋?zhuān)l率的增加意味著放電通道內(nèi)單位時(shí)間里放電時(shí)間的加長(zhǎng)與非放電時(shí)間的縮短。因?yàn)橥饧拥氖墙蛔冸妷?，放電通道?nèi)單位時(shí)間里放電時(shí)間的加長(zhǎng)與非放電時(shí)間的縮短是有限度的，這意味著離子濃度隨著高壓電源頻率增大而增大的效果也是有一個(gè)上限的，在接近這個(gè)上限的過(guò)程中，我們從圖3中看到了離子濃度隨著高壓電源頻率增大而增大的，變化率是隨著頻率增大而逐漸減小的。

3 結(jié) 論

離子濃度隨著高壓電源頻率增大而增大，變化率隨著頻率增大而逐漸減小。