1、第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-08-23基金项目:辽宁省教育厅项目(LJ2020008);辽宁师范大学教学改革研究与实践项目(LSJG202211)。*通讯联系人文章编号:1007-2934(2022)06-0026-05放电系统谐振特性的研究林靖松1，齐宏松1，于潭学1，张昕2，霍伟刚1*(1辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连116029;2中国人民解放军南部战区总医院，广东 广州510010)摘要:许多介质阻挡放电系统存在谐振现象，影响电源输出效
2、率，因此研究介质阻挡放电系统谐振很有意义。本文研究了平板电极体放电系统的谐振，发现:放电系统具有 LC 并联谐振特性;只有在放电处于丝状放电时，放电系统才会出现谐振;随着电极间隙的增加，谐振频率变大，谐振点对应电流值减小。氩气含量低于 30%时，氦氩混合气体放电的谐振消失。关键词:放电系统;谐振;放电模式;电极间隙中图分类号:G 6420文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202206005大 气 压 介 质 阻 挡 放 电(Dielectric BarrierDischarge，DBD)不需要昂贵的真空系统，可在常温下产生高能量、高密度的等离子体，被广泛应用于污
3、 染 治 理、杀 菌 消 毒、医 疗 美 容 等 各 个 领域1-5。等离子体中活性粒子密度是影响 DBD 应用的重要参量，与 DBD 放电强度密切相关。如何提高 DBD 的放电强度成为近年来的研究热点。放电功率是影响 DBD 放电强度的重要参量，是电极电压和电源频率的幂函数6-8。随电极电压和电源频率的增加，放电功率增加。实际上，上述规律只有在适当的频率范围内才成立的。在此频率范围之外，放电功率随电源频率升高反而降低。放电功率随电源频率的反常变化通常是因为DBD 放电系统的谐振。具有谐振特性的 DBD 放电系统有特定的谐振频率。DBD 放电系统的谐振频率与电极电压(功率)、电源频率、气体流速
4、等放电参数密切相关9-11。谐振频率的变化意味着 DBD 放电系统的阻抗匹配是高度不稳定的，导致放电不稳定。因此研究 DBD 放电系统谐振很有意义。针对 DBD 放电系统谐振特性研究主要集中在电极电压和气体流速等方面，放电模式、气隙间距和气体种类等对 DBD 放电系统谐振影响的研究较少。本文首先测量了不同电极电压下的 DBD 放电电流谐振曲线，证实了 DBD 放电系统具有并联谐振特性。研究了不同放电模式、电极间隙和氩气含量下放电电流谐振曲线。解释了放电电流谐振曲线的变化规律。1实验装置实验 装 置 示 意 图 如 图 1 所 示。型 号 为TLP2040 的高压电源(输出电压峰值:调节范围为0
5、 40 KHz，最大输出功率:1 kW，频率:40 Hz 20 KHz)输出交流高压，施加到 DBD 放电驱动电极(上电极)产生等离子体。下电极接地。等离子体在两个直径为 40 mm 紫铜圆形电极之间产生，每个电极表面覆盖一层厚度为 05 mm、直径为 50 mm、相对介电常数为 98 的陶瓷片。整个放电单元密封于一个自制的长为 400 mm、宽为300 mm、高 为 200 mm 的 亚 克 力 板 密 封 箱。99999%的氩气和 99999%的氦气(99999%)分别经过减压阀、质量流量控制器(型号:D07-7B，量程 100 sccm 和型号:D08-2F，量程，500 sccm)和气
6、体混和器，通入到密封有机玻璃箱中。密闭箱的另一侧安装了出气阀门，保证密闭箱内气压为一个大气压。利用美国泰克公司生产的 P6015A 型号高压探头(输入阻抗:100 M/3 pF，带宽:075 mHz)和美国皮尔逊公司生产的电流探头(输入阻抗:50，带宽:150 Hz18 MHz，最大电流峰值:1 000 A，输出灵敏度:05 V/A)采集电极电压(Ve)和放电电流(Id)。利用美国泰克公司生产的 DPO4054B型号的示波器(四通道，输入阻抗:1M/50，带宽:500 MHz，通道最高采集率:5 GS/s，最大记录长度:20 M)记录 Ve和 Id。采用尼康公司 D90 数码相机拍摄放电照片。
7、图 1实验装置示意图2实验结果和讨论21DBD 放电系统的谐振特性在某个特定频率的外加电源作用下，同时含有电感元件和电容元件的二阶或多阶电 路呈纯电阻性或接近于纯电阻性的现象称之为谐振。DBD 放电系统包括电容，电感和电阻等元件，因此 DBD 放电系统也存在谐振现象。图 2 是 DBD 放电电流脉冲串。实验条件是:电极间隙 016 cm，氩气流量 100 sccm，电极电压166 kV，电源频率 849 kHz。在同样的实验条件下，电流脉冲幅值，脉冲个数，脉冲出现的位置是随机变化的。在半个电压周期内，出现多个放电电流脉冲。正向电流脉冲幅值和负向电流脉冲幅值大小，个数都是随机的，放电电流脉冲呈现
8、多峰特征(见图 2 的内插图)。内插图为一个电压周期的放电电流图 2DBD 放电电流电极电压固定为 166 kV，测量 DBD 放电电流随频率变化曲线，即 DBD 放电系统的电流谐振曲线(见图 3)。需要说明的是，图 3 中的电流是最大电流脉冲幅值的统计值。具体统计过程如下:待氩气放电稳定后，利用数字存储示波器存储200 个电极电压周期内的放电电流，利用自编程序统计最大正、负电流脉冲幅值。从图 3 可以看出:随着电源频率的增加，电流幅值呈减小-增加的趋势。DBD 放电系统的电流谐振曲线表现出典型的 LC 并联谐振特征。这与文献 10 描述的DBD 放电系统呈现的串联谐振特性不同，造成这种不同的
9、原因可能是电源结构不同。在电源频率为 973 kHz 时，电流幅值降低到最小(61 mA)。图 3 中最小值点对应的频率和电流分别是谐振频率和谐振电流。f/kHz电极电压为 166 kV图 3电流幅值随电源频率的变化22放电模式对谐振特性的影响大气压千赫兹 DBD 放电通常出现丝状放电模式，自组织斑图模式和均匀放电模式。DBD 模式不仅与电极电压，放电气体等12 相关，还与电源频率有关。图 4 是不同电源频率下的 DBD 放电照片，相机曝光时间为 10 ms。(a)135 V(b)166 kV72第 6 期林靖松，等:放电系统谐振特性的研究(c)210 kV图 4不同电源频率下的放电照片图4(
10、a)中 a1-a5 对应的电源频率分别为742kHz，771 kHz，808 kHz，892 kHz 和 1885 kHz;图4(b)的 b1-b5 对应的电源频率分别为 742 kHz，892 kHz，973 kHz，1300 kHz 和 1885 kHz;图 4(c)的 c1-c5 对应的电源频率为 742 kHz，772kHz，936 kHz，1269 kHz 和 1885 kHz。从图 4 可以看出:(1)在低电极电压下(135 kV 和 166kV)，放电呈现丝状放电特征;在高电极电压下(210 kV)，放电为均匀放电;(2)当放电为丝状放电时，放电面积随着电源频率的增加先减小后增大
11、。当放电为均匀放电时，放电面积几乎不受电源频率的影响。为了揭示 DBD 放电系统的谐振与放电模式的内在联系，测量了 DBD 放电电流随频率变化曲线(看图 5)。f/kHz图 5在不同电极电压下电流幅值随电源频率的变化说明:1图 5 的测量方法与图 3 的测量方法完全相同;2 图 5 的实验条件与图 4 完全相同。电极电压为 135 kV 时，电流幅值随电源频率的增加而先减小后增大，呈现典型的 LC 并联谐振特征，谐振频率和谐振电流分别为808 kHz 和25mA。当电极电压增加到 166 kV 时，谐振特性仍然存在，但谐振频率和谐振电流分别增加到 973kHz 和 54 mA，谐振曲线的半宽宽
12、度也变窄。继续增加电压到 210 kV，电流幅值随电源频率增加近似线性增加，即谐振现象消失。通过对比图 4和图 5 发现:1当放电处于丝状放电，DBD 放电系统存在谐振;当放电为多峰均匀放电，DBD 放电系统谐振消失。2 谐振点对应丝状放电面积最小。23电极间隙对谐振特性的影响固定电极电压为 166 kV，电极间隙由 016cm 增加到 025 cm，其它实验条件与图 5 的实验条件完全相同。图 6 是电极间隙为 025 cm 时电流幅值随电源频率的变化曲线。为了比较电极间隙的影响，把图 5 中的电流幅值谐振曲线也画入图 6 中。从图 6 可以看到:在电极间隙为 025 cm时，在电流幅值-电
13、源频率曲线中，仍然存在极小的电流值，意味着 DBD 放电系统的谐振仍然存在。与短电极间隙的结果相比，长电极间隙对应的谐振频率变大，谐振电流值变小，谐振曲线的半宽更宽。f/kHz图 6在不同电极间隙下电流幅值随电源频率的变化为了解释电极间隙对谐振特性的影响，利用相机拍摄了电极间隙为 025 cm 时不同电源频率下的放电照片(见图 7)。电极电压和电极间隙分别固定为 166 kV 和 025 cm图 7放电照片随电源频率的变化图 7 中的 a，b，c，d 和 e 对应的电源频率分别为 1028 kHz，1057 kHz，1073 kHz，1233 kHz 和1435 kHz。相机的设置与图4 完全
14、相同。电极间隙为 025 cm 时，在不同电源频率下，放电仍是丝82大学物理实验2022 年状放电，进一步证实了只有放电处于丝状放电时，DBD 系统才会出现谐振现象。与图 4b 不同(除电极间隙外，其它条件完全相同)的是:1在长间隙下，放电细丝更加清晰，细丝间隔更大;2谐振点对应的放电出现单个孤立的丝(看图 7c)，意味着放电面积更小，这可能是谐振频率变大的原因;3在长电极间隙下，出现单个孤立丝的电源频率范围更宽，造成电流幅值谐振曲线的半宽更宽。24氩气含量对谐振特性的影响固定电极电压为 166 kV，电极间隙为 025cm，气体总流量固定为 100 sccm。将氩气和氦气流量分别固定为 85
15、 sccm 和 15 sccm，即氩气在混合气体中的含量为 85%，气体经混合后通入密闭箱。为了保证放电气体中氩气含量为 85%，需往密闭箱通该流量的氦/氩混合气体 14 h 以上。利用图 5 的测量方法，测量氩气含量为 85%时的谐振曲线。保持上述实验条件不变，分别改变氦/氩混合气体中氩气含量为:100%，70%，50%，30%和0%，得到不同氩气含量下的谐振曲线(见图 8)。从图8 可以看出:当氩气含量高于30%，电流幅值谐振曲线存在极小值(DBD 放电系统存在谐振)。随氩气含量减小，谐振频率和谐振电流增加，谐振曲线的半宽变窄。当氩气含量低于 30%时，电流谐振曲线极小值消失(DBD 放电
16、系统谐振消失)。f/kHz电极电压和电极间隙分别为 166 kV 和 025 cm图 8不同氩气含量下电流幅值随电源频率的变化图 9 是在不同氩气含量下放电照片随电源频率的变化，实验参数与图中的实验参数完全相同，相机参数设置与图 4 相同。图 9a 中的 a1-a5 对应的电源频率分别为 101 kHz，1098 kHz，1204kHz，1335 kHz 和 1437 kHz;图 9b 中的 b1-b5 对应的电源频率分别为 1026 kHz，1204 kHz，1304kHz，1402 kHz 和 1442 kHz;图 9c 中的 c1-c5 对应的电源频率分别为 1026 kHz，1332 kHz，1388kHz，1409 kHz 和 1426 kHz;图 9d 中的 d1-d5 对应的电源频率分别为 1026 kHz，1164 kHz，1223kHz，130 kHz 4 和 142 kHz;图 9e 中的 e1-e5 对应的电源频率分别为 1026 kHz，1095 kHz，1124kHz，1146 kHz 和 1475 kHz;图 9f 中的 f1-f5 对应的电源频率分别为 1
