同軸介質阻擋放電功率和等效電容特性研究*

劉 勇， 俞建成， 張俊良， 吳煥銘， 高文清

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211)

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同軸介質阻擋放電功率和等效電容特性研究*

劉 勇， 俞建成， 張俊良， 吳煥銘， 高文清

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211)

以同軸—針放電結構為研究基礎，采用Lissajous圖像法，研究了介質阻擋放電管徑、載氣流速變化對放電功率和介質等效電容的影響關系；設計了正交實驗，進一步研究載氣流速和放電管徑對周期傳輸電荷量顯著性影響的大小。研究結果表明:隨著載氣速度的提升，放電功率和介質等效電容都呈減小趨勢；隨著放電管徑的增大，介質等效電容減小。正交實驗中，管徑的F值為22.15，相比載氣流速對傳輸電荷量的影響更加顯著。

同軸—針； 介質阻擋放電；傳輸電荷量； Lissajous圖形； 等效電容

0 引 言

介質阻擋放電(dielectric barrier discharge,DBD)是在常溫常壓下產生低溫等離子體的主要快捷手段之一[1,2]，可應用于合成新物質等多種工業領域，前景廣闊[3,4]。近年來，研究放電條件諸如氣隙間距、氣流等因素影響放電特性的機制成為了熱點研究領域[5,6]。王新新等人[7]研究了介質阻擋放電模式指出，在外加交流電壓的半個周期內，只有一個脈沖電流是均勻放電的必要不充分條件；在不同條件下等效電容的變化規律能反映放電狀態，這對提高放電效率具有重大意義[8]。張新榮指出DBD的離子化效率是離子源靈敏度關鍵技術[9]，而放電通道電荷傳輸量的大小與離子化效率息息相關[10]。

本文選取同軸—針結構，具有放電功率較大，運行電壓和起始放電電壓低，周期傳輸電荷量大的特點[1]，介質材料選取玻璃管，結合了Lissajous圖形方法，探究了介質阻擋材料玻璃管管徑大小與氮氣流速對介質等效電容和放電功率的關系，設計了正交實驗，探究管徑和氣流大小對周期傳輸電荷量的顯著性影響，并對結果進行了分析。

1 DBD放電原理

當DBD進行放電時，在電極兩端施加交流電壓，氣隙中的場強達到一定閾值時，由于電子雪崩，空間中的電荷開始增加并向兩極移動[11]，氣體被電離后，在外加驅動電源產生的電場作用下，產生的電荷移動到介質表面并且聚集，產生了一個與外加電場反相的附加電場，在電荷的積聚量增多的情況下，附加電場的場強也隨之增強，對外加電場的抵消作用變大，這時氣隙中總場強減小，當氣隙中的總場強無法達到閾值放電電壓時，放電熄滅。圖1為介質阻擋放電容器等效電路[7]。

圖1 放電容器等效電路

氣體放電前，DBD放電電路相當于阻擋氣隙電容Cg和介質等效電容Cd串聯；氣體放電后等效于開關閉合，Cg并聯上了一個與時間有關的電阻R(t)，明顯地，氣隙上的電壓Ug可由式(1)表示

(1)

式中Ua和Ud分別為外加電壓和阻擋介質電壓，放電時，放電電流i上升，介質電壓Ud也立即隨之上升，從而Ug減小，放電停止，最終完成了DBD放電。

2 實驗裝置與實驗方法

2.1 實驗裝置

如圖2所示，線圈L2左邊部分為高壓驅動電源交流電產生部分，由電阻器R1,R2,單向可控硅VS，線圈L1，二極管VD和可變正弦交流電源組成，右邊為R3,R4分壓電阻器，放電空間傳輸的電荷通過在放電回路串聯一個4 700 pF電容器C2間接獲得，放電針的一端接高壓輸出正極，放置于玻璃管軸中心，玻璃管的長度為10 cm，內徑大小有4～11 mm幾種，厚度均為0.5 mm，玻璃管外包裹銅網，網密度為0.5 cm2/格。作為另一放電極，示波器和高壓探頭(Tektronix廠家生產，型號為P6015A)觀測放電電壓波形。

圖2 DBD實驗電路連接

2.2 Lissajous圖形法

放電的過程可視為電容器的充放電過程，當反應器的電壓Up和電容器兩端電壓Um分別加在示波器的Y-X軸上，波形為封閉的平行四邊形，因串聯電容器C2兩端電壓Um與放電空間所傳輸電荷量Qm成正比,可得如圖3所示的Q—VLissajous圖形，其中，線段BC，DA對應放電階段，電源向固體介質等效電容Cd充電，這時回路當中還沒有Cg，而AB，CD線段兩邊對應放電截止階段，此時電源向總電容C(Cg和Cd串聯)進行充電，因此，BC，DA線段斜率的倒數為反應器放電時的等效電容Cd，反應器的總電容C則是線段AB，CD的斜率的倒數，各電容的值則可通過式(2)～式(4)計算

Cd=dQ/dU=C2dUm/dUp

(2)

(3)

(4)

Lissajous圖形圍成的面積S可用于計算放電功率P或能量W[12]，即

(5)

P=F1W=F1S

(6)

式中 F1為放電頻率；S為圖形包圍面積。

圖3 Q-V Lissajous圖像

2.3 正交實驗設計

在同軸—針電極結構中，較低電壓時首先產生電暈放電，隨著電壓的逐漸升高，慢慢轉變成絲光放電。為明確管徑大小和氣體流速大小對整個反應容器轉移電荷數量的顯著性影響，分別設計了大小為4，6，7，11mm的放電管徑，流速為0.05，0.10，0.15，0.21L/min氮氣進行實驗。

3 實驗結果

3.1 不同條件下的放電電容特性曲線

圖4給出了管徑分別為5，7，9mm的玻璃管介質，氣體流速為0.05～0.23L/min范圍時，介質等效電容Cd的變化趨勢。顯然，隨著管徑的增大，Cd減小，且在同樣氣體流速下，隨著管徑的增大，Cd同樣減小，當氣體流速為0.05L/min，管徑大小為5mm時，Cd取得最大值138pF,在此流速下，管徑為9mm時，Cd為126pF，而流速到達0.21L/min時，Cd降低至103.2pF。

圖4 載氣流速對介質等效電容Cd的影響

對于不同管徑下的Cd與流速的關系曲線可知在DBD的放電等效電路中，Cd為與介質厚度H、介電常數ε以及介質有效正對面積有關[13]，即

Cd∝Kε/H

(7)

式中 K與電場強度有關，當管徑一定時，根據氣流影響電路諧振特性的規律，快速氣流帶走的過多熱能對放電空間起到一定的冷卻作用，外加氣流流速從0L/min開始增大，放電功率降低，即DBD放電減弱，介質有效的正對面積也減小，其放電空間內絲狀通道的數目開始相應地減少,從而Cd減小。

3.2 不同氣體流速下的功率特性

如圖5所示，實驗放電管徑為4mm，驅動電源幅值為11kV，頻率為50Hz，載氣流速分別為0,1.66，10L/min時，實驗得到的Lissajous圖形形狀規則，近似理想的平行四邊形，顯然，隨著氣流速度的增加，圖形所圍成面積減少，圖中氣體流速為10L/min圖形面積顯然最少，即功率最小，因快速的氣流帶走熱量，使得功率降低。

圖5 不同載氣流速下放電Lissajous圖形

3.3 正交實驗結果

選取正交設計表L16(42)正交表實驗，如表1，管徑大小R和載氣流速V作為因素變量，這2種因素均具有4個水平，R的大小分別為4，6，7，11mm，V的大小分別為0.5，0.10，0.15，0.21L/min。方差分析如表2所示。

表1 L16 (42)正交設計

Kj為該因素在j水平下實驗結果之和；f′為自由度；S′為因素的離差平方和；MS=S′/f′；F為因素的MS項與誤差項MS的比值。根據查表有：F0.01(3,9)=6.99，F0.05(3,9)=3.63，F0.1(3,9)=2.81。

在正交實驗中，F值越大則對周期傳輸電荷量的影響對應也越顯著。F0.01>F>F0.1時，該因素影響顯著；F>F0.01時，該因素影響特別顯著。通過與F分布臨界值相對比發現,管徑R的F=22.15，大于臨界值F0.01，為特別顯著的因素，而通過對比載氣流速的F臨界值發現，此2種因素間管徑為更加顯著因素，在本文實驗中，以傳輸電荷量為目標，可以看出最佳的管徑和載氣流速分別為11 mm，0.05 L/min。

表2 方差分析表

4 結果討論

隨著載氣流速增加，絲狀放電結構減小，使得放電強度減弱，導致與電場強度有關的K減小，即Cd減小，斜率KAB增加，與圖5的Lissajous圖像結論一致。為了進一步證明圖形的正確性，根據表1中的電容電壓UC2(電荷量與電容的比值)數據分析，得到圖6，電容C2電壓值隨流速的增大而減小，而電容C2轉移電荷量Q正比于電壓UC2，所以，Q減小，根據DBD諧振特性，在此頻率下，發生器負載電壓U隨氣流速度增大而增大，即總電容C=Q/U的值下降，這與圖5所得的斜率信息一致，在表1中，不難看出，當管徑一定時，載氣流速增加后，轉移電荷量減少，正如Lissajous面積圖像對應的規律，隨著載氣流速的增加，放電功率減小。除此之外，還可以推論在相同載氣流速下，不同外加電源電壓放電功率，由放電功率理論知

(8)

式中Up為驅動電源電壓的幅值；Umin為維持放電的閾值電壓。當載氣流速、介質材料和驅動電壓頻率一定時，總電容隨外加電壓增大而增大的，即增大Up則會使得功率P增大。根據實驗，還可猜測氣隙等效電容在載氣流速的情況下呈減小趨勢。

圖6 氣流速度對電容C2兩端電壓的影響

5 結 論

根據不同條件下放電電容特性曲線分析結果，介質等效電容Cd隨載氣流速的增大而減小，并通過了Lissajous圖形方法功率特性的研究和公式推導進行了進一步的證明；根據不同載氣流速下的功率特性圖分析，表明了放電功率P隨載氣流速的增加而減小，本文還推導出了放電功率P隨放電驅動電壓的增大而增大；通過電荷的轉移數量實驗研究，本文設計的正交實驗表明了放電管徑比載氣流速對放電特性的影響相對要大，同時得到了最佳的轉移電荷量的實驗參數；DBD工作效率的提高可通過盡量選用更高的放電驅動電源或者減小載氣的流速實現；對于同軸介質阻擋放電的研究，未來的研究方向還可以從電介質系數、針尖曲率、載氣種類對放電功率影響的機理方面進行研究； 準確的研究介質等效電容和電荷轉移尤其對于離子源的離子化效率理解具有巨大意義。

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Research on power and equivalent capacitance characteristics of coaxial dielectric barrier discharge*

LIU Yong， YU Jian-cheng， ZHANG Jun-liang， WU Huan-ming， GAO Wen-qing

(Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Based on needle-to-cylinder discharge structure，use Lissajous method,influences of the dielectric barrier discharge diameter and the flow velocity of carry gas change on the changing of discharge power and equivalent capacitances of dielectric are studied; an orthogonal experiment is designed,in order to study significant influence of flow velocity of carrier gas and discharge diameter on periodically transmitted charge.The results show that discharge power and equivalent capacitances of dielectric tend to decrease with the increasing of the flow velocity of carrier gas; with the increase of discharge diameter,the equivalent capacitance of dielectric decreases.In the orthogonal test,theFvalue of the tube size is 22.15,which means flow veloctiy of carrier gas has more significant influence on transfmitted charge.

cylinder-needle;dielectric barrier discharge; transmitted charge quantity; Lissajous graph; equivalent capacitance

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0045—04

2017—06—27

國家自然科學基金資助項目(61501273，11504189)；浙江省自然科學基金資助項目(LY16B050002)；寧波大學王寬誠幸福基金資助項目

TM 215

A

1000—9787(2017)08—0045—04

劉 勇(1993- )，男，碩士，主要研究方向為精密儀器，E—mail：1511082714@nbu.edu.cn。