新型輝光放電裝置設計與關鍵參數研究*

程 明, 俞建成, 張俊良, 吳煥銘

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

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新型輝光放電裝置設計與關鍵參數研究*

程 明, 俞建成, 張俊良, 吳煥銘

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

基于針—網放電結構，設計了一種新型的輝光放電裝置，并研究了放電針數量、針間距、放電間距和載氣流速等因素對放電穩定性、起輝電壓、放電功率及放電能量密度的影響。實驗表明：載氣流可帶走放電產生的不均勻熱量，使得放電更加穩定；電極間距越小，起輝電壓越低，越容易向火花放電過渡；針間距越大，單針的放電功率也越大。放電能量密度不僅受針間距的影響，還受到放電針數量的影響。

輝光放電； 針—網結構； 等離子體； 放電功率； 能量密度

0 引 言

維持輝光放電并盡可能提高電離效率具有重要的意義[1～3]。近年來，放電條件如電源類型、電極間距、溫度和載氣流速等因素對放電特性的影響成為研究熱點[4，5]。放電結構包括針—板[6]、針—柱[7]、針—弧面[8]等；電極材料包括不銹鋼、銅、鎢等。Cody R B等人[9]在針—板放電結構的基礎上，發現通入一定的惰性氣體，可以實現穩定的輝光放電；Akishev Y課題組[10]在針—板放電的結構基礎上采用高壓直流電源，降低了對電源的要求，簡化了匹配電路；任春生課題組[11]在多針放電的基礎上提出了加大電極間距放電，在擊穿電壓較高的情況下，可以有效抑制放電向火花過渡。輝光放電離子化效率是研究輝光放電離子源的關鍵，而離子化效率由放電結構和外部條件共同影響，所以,找到最佳的放電條件成為當務之急。

本文采用多針—網放電結構，陰極獨立的放電針在輝光階段時，單針產生的輝光區域逐漸擴大直至針與針之間的放電區域相互融合，形成一個整體的等離子區。陽極通透的網結構配合軸向氣流在穩定輝光放電的同時能夠節省載氣的通入量。在該基礎上通過控制變量法探究針的數量、電極間距和載氣流速等因素對放電穩定性、起輝電壓、放電功率和放電能量密度的影響，并測得該條件下起輝電壓與針數量、電極間距的關系曲線及針間距對放電功率和放電能量密度的影響。

1 輝光放電原理

氣體放電存在擊穿臨界值，稱之為擊穿電壓[12]，當電極間的電壓大于臨界值，氣體放電會由電暈放電進入輝光放電，此時放電電流持續增大，極間電壓下降并逐漸保持穩定，這個狀態稱之為穩定的輝光放電。圖1為常見的輝光放電裝置結構。

在一定壓強P和電極間距d下，氣體放電滿足帕邢定律，擊穿電壓U為壓強和電極間距乘積的函數，滿足式(1)

圖1 輝光放電裝置

(1)

式中A，B為常數；γ為一個正離子撞擊陰極表面時，平均從陰極表面逸出的電子數目。

2 實驗裝置和探究方法

2.1 實驗裝置

搭建了圖2(a)所示實驗裝置，包括載氣入口、放電室、加熱腔、等離子體導出等四部分。放電裝置陰極由不銹鋼針呈方形陣列式排布，每根針尾部串入3 mΩ的電阻，針長為5 cm，針尖半徑為0.005 mm，陽極為半徑40 mm的圓形鋼網，針間距設置為3 mm，陽極網密度0.5 cm2/格，電極間距設置為4 mm。氮載氣流速為180 mL/min，測試電阻為100Ω，電路原理如圖2(b)所示。

測試儀器包括具有存儲功能的數字示波器(Agilent MSO7032B)和示波器高壓探頭(Tektronix P6015A 75 MHz)，高壓直流電源(0～20 kV)，數字萬用表(Fluke117C)，數碼照相機等。以下實驗均設定載氣流速為180 mL/min，實驗溫度25 ℃，空氣相對濕度63 %RH。

圖2 放電裝置

2.2 起輝電壓與針數量及電極間距

放電針數量分別取4,9,16針，排列方式如圖3所示。

圖3 多針電極排列方式示意

在以上3種電極基礎上，每種電極排列分別選取放電間距為4，8，12，16 mm進行放電實驗。

2.3 針間距與放電功率和放電能量密度

實驗裝置如圖4所示，位于同一平面上的放電針組成高壓電極，針間距a和放電間距d均可調。實驗中，放電間距設置為8 mm，針間距起始距離為3 mm，每完成一組實驗，針間距增加3 mm，直到針間距為15 mm。取9，16針重復實驗，并記錄實驗過程中的電壓和電流。

圖4 測試裝置示意

3 實驗結果

3.1 起輝電壓與針數量及電極間距的關系

圖5(a)，(b)分別為電極間距為4 mm，無載氣和載氣流速為180 mL/min時的輝光放電。通過對輝光放電演化過程的觀察，不管是否通入載氣，隨著外加電壓的升高，放電最終都將由電暈階段向輝光階段過渡。但是否通入載氣對輝光放電階段的影響較大，無載氣通入時，當外加電壓為-3 kV時，發光區域主要存在于針尖和陰極附近，電極中間沒有放電存在；通入載氣時，當外加電壓超過-3 kV時，放電區域會逐漸向陽極蔓延，最終形成圓錐形的放電區域。

圖5 輝光放電實驗現象

在輝光放電達到穩定，起輝電壓與放電針數量和放電間距關系曲線如圖6所示，不同的放電針在每一種間距下的起輝電壓取3次測量的平均值，實驗中每點的3次測量值波動范圍不超過50 V，確保了實驗的重復性良好。

圖6 起輝電壓與電極間距的關系曲線

從圖6可以看出:起輝電壓值隨著放電間距的變大呈指數增長，隨著電壓的持續增加，當間距越大時，輝光放電向火花放電轉換的難度也越大；相同放電間距時，針數量對起輝電壓的影響值不大，當針數量越多，起輝電壓出現小幅度的上升，說明多針構成的電場之間會相互影響，該復合場可抑制輝光放電。

3.2 針間距與放電功率和放電能量密度的關系

設置放電間距為8 mm，針數量為16，單針放電功率、放電能量密度和針間距的關系曲線如圖7所示，3條曲線的放電電壓依次為7，5，3 kV。

圖7 放電參數與針間距的關系曲線

由圖7(a)看出:當針間距減小時，單根放電針的功率下降，表示隨著針間距減小，針與針之間的相互抑制作用越大，反之亦說明針間距較大時單針放電功率也相對較大，且在高壓條件下，這種關系更加明顯，當針間距達到9 mm時，單針的放電功率增長趨于平緩。圖7(b)為放電能量密度與針間距的關系曲線，文中定義能量密度為單位體積內放電針產生的能量，J/m3。雖然減小針間距，單根針放電功率下降，但放電能量密度卻大幅增加。這表示，提高針密度有助于放電能量密度的提高。實驗過程中，雖然依靠減小針間距能夠達到提高放電能量密度的效果，但隨著針密度的增加，電極結構的復雜性與制造難度也會大幅提升，導致誤差水平大幅增加。

4 結 論

根據探究不同條件下，放電針數量、針間距、放電間距和載氣流速對放電穩定性、起輝電壓、放電功率及放電能量密度的影響曲線，結果表明，通入載氣后，獨立的陰極針實現了穩定的大體積輝光放電。根據起輝電壓與針數量和放電間距的曲線，表明：放電間距的增大會造成起輝電壓升高，但大間距一定程度上抑制了輝光向火花放電過渡，針數量對起輝電壓的影響不大；通過分析針間距與放電功率和放電能量密度曲線，表明：隨著針間距的減小，單針的放電功率受到了抑制，但放電能量密度增加。因此，若提高多針—網輝光放電離子化效率，除了需要通入載氣流，還應適當增加放電針的數量和增大放電間距，盡可能通過調節針間距平衡放電功率和放電能量密度。通過研究精確的放電條件，對于提高輝光放電離子化效率意義深遠。

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Design of novel glow discharge device and research on key parameters*

CHENG Ming, YU Jian-cheng, ZHANG Jun-liang, WU Huan-ming

(School of Information Science and Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Based on needle-mesh discharge structure,design a new kind of glow discharge device,and study on influence of pin number, pin spacing,discharge spacing and carrier gas flow rate and other factors on discharge stability,threshold voltage,power and power density.Experiments show that the heat can be carried out by the carrier air, which makes the discharge more stable.The smaller the electrode spacing is,the lower the threshold voltage is,the easier the transition to spark discharge;the greater the spacing of needles is,the greater discharge power of single needle is.Energy density of discharge is not only affected by spacing of needle,but also numbers of discharge needle.

glow discharge; needle-mesh structure; plasma; discharge power; energy density

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0022—03

2017—05—22

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

O 539

A

1000—9787(2017)09—0022—03

程 明(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為精密儀器。