1、第 卷/第期/年月河北师范大学学报/自然科学版/J O U R N A LO FH E B E IN O R M A LU N I V E R S I T Y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l N o J u l 文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金();河北省自然科学基金(A );邯郸市科学技术研究与发展计划项目()作者简介:张晋安(),男,山西新绛人,硕士研究生,研究方向为气体放电通信作者:刘峰(),男,教授,硕士生导师,博士,研究方向为等离子体及其应用E m a i l:f e n g l i u h e b e u e d u
2、c n大气压氩气同轴介质阻挡放电的电学特性张晋安,王伟伟,刘峰,王学,张文心,樊智慧(河北工程大学 数理科学与工程学院,河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心,河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心,河北 邯郸 )摘要:主要研究了同轴介质阻挡放电的电学特性、基础参数,并构造了仿真电路模型研究发现,随着外加电压的增大,介质电容增大,气隙电容减少通过不同半径的内电极进行实验显示气隙电容与半径成反比关系,在输入功率的研究中发现半径也是关键因素在功率因数与外加电压的研究中则发现其变化趋势不具有单调性,存在极大值点,具有重要意义,为工业化过程中寻找最优工况提供了参考利用软件构造了仿真电路模型,较
3、好地吻合了实验中的放电参数,有利于后续的研究中对一些不易实验获得的参数进行估算关键词:介质阻挡放电;同轴结构;电容;输入功率;电路模型中图分类号:O 文献标志码:Ad o i:/j c n k i j h e b n u n s e E l e c t r i c a lC h a r a c t e r i s t i c so f t h eC o a x i a lD i e l e c t r i cB a r r i e rD i s c h a r g e i nA ra tA t m o s p h e r i cP r e s s u r eZ HANGJ i n a n,WA
4、NG W e i w e i,L I UF e n g,WANGX u e,Z HANG W e n x i n,F ANZ h i h u i(S c h o o l o fM a t h e m a t i c sa n dP h y s i c s,H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g,H e b e iC o m p u t a t i o n a lO p t i c a l I m a g i n ga n dP h o t o e l e c t r i cD e t e c t i o nT e c h n o
5、 l o g yI n n o v a t i o nC e n t e r,H e b e i I n t e r n a t i o n a l J o i n tR e s e a r c hC e n t e r f o rC o m p u t a t i o n a lO p t i c a l I m a g i n ga n dI n t e l l i g e n tS e n s i n g,H e b e iH a n d a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s
6、t i c sa n db a s i cp a r a m e t e r so fc o a x i a ld i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ea r es t u d i e d,a n dt h es i m u l a t i o nc i r c u i tm o d e l i sc o n s t r u c t e d I t i s f o u n dt h a t t h ed i e l e c t r i cc a p a c i t a n c e i n c r e a s e sa n dt h eg
7、 a sg a pc a p a c i t a n c ed e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fa p p l i e dv o l t a g e E x p e r i m e n t sw i t hi n t e r n a l e l e c t r o d e so fd i f f e r e n t r a d i u ss h o wt h a t t h eg a sg a pc a p a c i t a n c e i s i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a l t o
8、t h e r a d i u s,a n dt h er a d i u s i s a l s oak e y f a c t o r I n t h e s t u d yo f i n p u t p o w e r I n t h e s t u d yo f p o w e r f a c t o r,i t i s f o u n d t h a t t h ev a r i a t i o nt r e n do fp o w e r f a c t o r i sn o tm o n o t o n i c,a n dt h e r e i sam a x i m u mp
9、o i n t,w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dp r o v i d e sar e f e r e n c e f o r f i n d i n gt h eo p t i m a l c o n d i t i o n i n i n d u s t r i a l i z a t i o n T h es i m u l a t i o nc i r c u i tm o d e li sc o n s t r u c t e db ys o f t w a r e,w h i c h i s i ng o o
10、da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t T h em o d e l i sc o n d u c i v e t ot h ee s t i m a t i o no f s o m ep a r a m e t e r s t h a t a r en o t e a s yt ob eo b t a i n e de x p e r i m e n t a l l y i nt h e l a t e r r e s e a r c hK e yw o r d s:d i e l e c t r i cb a r r i e r
11、d i s c h a r g e;c o a x i a l s t r u c t u r e;c a p a c i t a n c e;i n p u tp o w e r;c i r c u i tm o d e l介质阻挡放电(d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e,D B D)又称无声放电,是高压激励下,在放电通道之间添加介质,在电极之间产生放电现象介质阻挡放电已被广泛应用于材料改性、化工染色、分解污染物、医疗保健等诸多学科领域D B D的放电装置种类主要有平板型、同轴圆筒型、微腔型等其中,同轴结构具有结构简单、节省空间
12、、通风方便、参数条件要求低等优点,并具备在内电极附近形成高浓度电子、离子等物质的特性对于同轴结构,目前有专业人员从放电波形的微观领域进行研究,验证了流注放电击穿机理,发现了正负半周期放电不对称的特性,放电具有“类辉光放电”和“丝状放电”的特点,放电电流波形由很多微小的放电通道构成,单个微放电的周期约为几十纳秒有学者提出了介质电容和气隙电容的基础模型,电路整体呈阻容性同轴结构具有不对称性,内外电极的曲率不同导致正负电极间的电场分布不均匀该结构的放电装置还用于有关等离子体扩散的特性的研究本文中,笔者所在的课题组以 k H z高压交流电源作为激励源,研究了大气压氩气注入同轴圆筒结构介质阻挡放电装置产
13、生的放电特性,分析了电流特性、气隙电压、介质电容、气隙电容、功率、功率因数等电学指标分析方法主要采用李萨如图分析法和经典电磁学的方法实验表明,介质电容随着外电压增大而增大,气隙电容随着外电压增大而减小;气隙电压波形符合经典气体放电特征,放电装置击穿后具有稳压特性;输入功率与外加电压成正比,功率因数与外加电压不具有单调性,呈先增大后减小的趋势,具有极大值点;无论是气隙电容还是放电电流都与内电极半径有关构造了仿真电路模型,并进行了分析和对比同轴结构具有发展潜力,这些特点可以为同轴结构用于处理污染物、材料表面改性方面的研究提供参考,有助于寻找工业应用时的最优工况实验部分实验系统主要包括介质阻挡放电装
14、置、高频高压交流电源、电压电流测量设备、示波器、测试电容等实验装置组成如图 a所示实验电源采用低温等离子体电源(江苏苏曼电子公司C T P K),频率恒定为 k H z,电压可调泰克高压探头(T e k t r o n i xP A,X)用于采集电路高压信号,电流探头用于获取电路总电流信号,电压探头采集测试电容电压信号,所有电信号均由示波器(T e k t r o n i x T D S C)记录和显示电路中串联测试电容(Ct)用于绘制李萨如图,电容为n F放电装置采用长度为 mm的圆柱形石英管作为放电阻挡介质,介电常数为 石英管外表面覆盖一层薄圆柱形铜片,作为接地极,也就是外电极,长度为 m
15、m,并忽略铜片的厚度在石英管的中心固定一根铜管作为高压电极,即内电极,铜管的长度为 mm放电装置截面如图 b所示,截面分为个区域:介质区、气隙区、内电极区内电极的外半径Rmm,有多种规格石英管内半径R mm,石英管外半径(R)等于外电极半径,为 mm,石英管壁厚bmm装置侧面采用绝缘材料封闭工作气体通过石英管的上部气孔注入,横向穿过气隙区,构成放电气隙,从另一侧出口排出,流速可调本实验中流速固定为L/m i n,工作气体为纯氩气,纯度为 图实验装置(a)及同轴放电装置截面(b)示意图F i g T h eS c h e m a t i cD i a g r a mo f t h eE x p
16、e r i m e n t a l S e t u p(a)a n dC r o s sS e c t i o no fC o a x i a lD i s c h a r g eD e v i c e(b)结果与讨论电流波形图给出了外加电压为,k V,且内电极半径Rmm时的放电电流波形实验表明,尽管两者电流的数值是不同的,但放电波形是相似的,每个放电周期内都有个主要的放电峰,包含很多小的脉冲单个脉冲电流值都较大,但持续时间较短每个周期之间的放电差异较小,放电比较均匀,正负半周期间差异相对较小另外,当内电极半径等于其他参数时也观察到类似现象a k V;b k V图放电电流波形F i g D i s c h a r g eC u r r e n tW a v e f o r m介质电容与气隙电容李萨如图是研究介质阻挡放电的重要手段,具有容易获得、准确度高的优点通过李萨如图的斜率可以估算放电装置的介质电容(Cd)、气隙电容(Cg),估算结果如图所示图外加电压对介质电容的影响(a)以及外加电压和内电极半径对气隙电容的影响(b)F i g I n f l u e n c eo fA p p l
