介質(zhì)阻擋放電中離子濃度與電場頻率的關(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足的發(fā)展，但總的來說，目前產(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機理尚不清楚，在高氣壓下等離子體的輸運特性研究也剛剛起步[1]。在這樣理論體系尚未建立起來的背景條件下，實驗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，本文用實驗方法探討外加電場頻率變化對離子濃度的影響。

1 實驗研究電場頻率對離子濃度的影響

1.1 實驗所用主要儀器及實驗方法

1.1.1實驗流程示意圖(見圖1)

1.1.2實驗所用主要儀器

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

實驗采用自制的大氣壓非平衡等離子體源(見圖2)，采用TDGC2調(diào)壓器來調(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)字存儲示波器和靜電高壓電壓表Q4 、DLY-3型大氣離子濃度測量儀等組成。

當(dāng)高頻高壓電源產(chǎn)生的激勵電壓被加到放電電極上，在調(diào)節(jié)激勵電壓逐漸增大的過程中，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)阻擋放電中的強電離放電。

1.空氣壓縮機；2.過濾器；3.空氣流量控制閥；4.流量計；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)檢測系統(tǒng)； 11. 等離子濃度檢測儀

圖1實驗流程示意圖

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)生時放電間隙的電離強度照片

B.大氣壓非平衡等離子體源照片

1.1.3實驗方法

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DLY-3 型大氣離子濃度測量儀在該處測量獲得。折合場強是放電電極與介質(zhì)阻擋陶瓷(Al2O3)片之間放電間的折合場強，即放電間隙中流動空氣的電場強度與空氣分子數(shù)密度的比值。本實驗的折合電場強度為323Td。實驗步驟是將折合電場強度調(diào)至為323Td，進行頻率與DLY-3 型大氣離子濃度測量儀顯示的數(shù)值ns之間的關(guān)系的測量。本實驗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。實驗結(jié)果參見頻率與離子濃度之間關(guān)系實驗數(shù)據(jù)表1及圖3。另外，表中所列高壓電源頻率4.7～10 kHz對應(yīng)的12個電壓波形圖分別由圖4～15給出，每個波形的右下角都有頻率值的標出，這也是本實驗測量頻率的方法。

1.2 離子濃度與頻率的關(guān)系實驗數(shù)據(jù)

頻率對離子濃度影響實驗數(shù)據(jù)見表1及圖3。

表1 頻率對離子濃度影響實驗數(shù)據(jù)

圖3 頻率對離子濃度影響實驗結(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 實驗結(jié)果分析討論

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)(表1)繪制的曲線如圖3所示。實驗結(jié)果顯示出：當(dāng)折合電場強度和空氣流量在某個確定值時，離子濃度隨著高壓電源頻率增大而增大。這個實驗結(jié)果可以這樣來解釋，頻率的增加意味著放電通道內(nèi)單位時間里放電時間的加長與非放電時間的縮短。因為外加的是交變電壓，放電通道內(nèi)單位時間里放電時間的加長與非放電時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上限的，在接近這個上限的過程中，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。