放电系统谐振特性的研究
时间：2023-04-09 10:50:05 来源：千叶帆 本文已影响人
林靖松，齐宏松，于潭学，张 昕，霍伟刚*
(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)
大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，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。
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0～40 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0.5 mm、直径为50 mm、相对介电常数为9.8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。99.999%的氩气和99.999%的氦气(99.999%)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。
图1 实验装置示意图
利用美国泰克公司生产的P6015A型号高压探头(输入阻抗：100 MΩ/3 pF，带宽：0～75 mHz)和美国皮尔逊公司生产的电流探头(输入阻抗：50，带宽：150 Hz～18 MHz，最大电流峰值：1 000 A，输出灵敏度：0.5 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：1MΩ/50 Ω，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。
2.1 DBD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0.16 cm，氩气流量100 sccm，电极电压1.66 kV，电源频率8.49 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
电极电压固定为1.66 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RLC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，造成这种不同的原因可能是电源结构不同。在电源频率为9.73 kHz时，电流幅值降低到最小(6.1 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
2.2 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) 1.35 V
图4(a)中a1-a5对应的电源频率分别为7.42 kHz，7.71 kHz，8.08 kHz，8.92 kHz和18.85 kHz；
图4(b)的b1-b5对应的电源频率分别为7.42 kHz，8.92 kHz，9.73 kHz，13.00 kHz和18.85 kHz；
图4(c)的c1-c5对应的电源频率为7.42 kHz，7.72 kHz，9.36 kHz，12.69 kHz和18.85 kHz。从图4可以看出：(1)在低电极电压下(1.35 kV和1.66 kV)，放电呈现丝状放电特征；
在高电极电压下(2.10 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。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
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1.35 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8.08 kHz和2.5 mA。当电极电压增加到1.66 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9.73 kHz和5.4 mA,谐振曲线的半宽宽度也变窄。继续增加电压到2.10 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。
2.3 电极间隙对谐振特性的影响
固定电极电压为1.66 kV，电极间隙由0.16 cm增加到0.25 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0.25 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0.25 cm时，在电流幅值-电源频率曲线中，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
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0.25 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1.66 kV和0.25 cm
图7中的a，b，c，d和e对应的电源频率分别为10.28 kHz，10.57 kHz，10.73 kHz，12.33 kHz和14.35 kHz。相机的设置与图4完全相同。电极间隙为0.25 cm时，在不同电源频率下，放电仍是丝状放电，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。
2.4 氩气含量对谐振特性的影响
固定电极电压为1.66 kV，电极间隙为0.25 cm，气体总流量固定为100 sccm。将氩气和氦气流量分别固定为85 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放电系统谐振消失)。
f/kHz
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10.1 kHz，10.98 kHz，12.04 kHz，13.35 kHz和14.37 kHz；
图9b中的b1-b5对应的电源频率分别为10.26 kHz，12.04 kHz，13.04 kHz，14.02 kHz和14.42 kHz；
图9c中的c1-c5对应的电源频率分别为10.26 kHz，13.32 kHz，13.88 kHz，14.09 kHz和14.26 kHz；
图9d中的d1-d5对应的电源频率分别为10.26 kHz，11.64 kHz，12.23 kHz，13.0 kHz 4和14.2 kHz；
图9e中的e1-e5对应的电源频率分别为10.26 kHz，10.95 kHz，11.24 kHz，11.46 kHz和14.75 kHz；
图9f中的f1-f5对应的电源频率分别为10.19 kHz，10.57 kHz，10.73 kHz，13.48 kHz和14.35 kHz。由图9可以得到如下结论：1.当氩气含量低于30%，放电接近于均匀放电(见图9a)，DBD放电系统谐振现象消失(见图8)。2.当氩气含量高于30%，放电出现丝状放电，且增加单个放电通道的电源频率范围变宽随着氩气含量。导致DBD放电系统出现谐振，且谐振特性曲线半宽随氩气含量增加而变宽。
(a) 氩气含量0%
利用实验方法研究了DBD放电系统的谐振，发现放电只有处于丝状放电时，DBD放电系统才会出现谐振现象；
当放电处于均匀放电时，DBD放电系统谐振现象消失。随着电极间隙的增加，DBD放电系统的谐振曲线半宽变窄，谐振频率变大，谐振电流值变小。随着氩气含量的降低，谐振曲线半宽逐渐变窄，直至消失，即氩气含量低于30%时，谐振现象消失。
