介质阻挡放电中离子浓度与电场频率的关系

周建纲

(大连大学 物理科学与技术学院,辽宁 大连 116622)

0 引 言

尽管目前气体放电分析有了长足的发展，但总的来说，目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输运特性研究也刚刚起步[1]。在这样理论体系尚未建立起来的背景条件下，实验研究就显得更加必要与迫切。影响介质阻挡放电离子浓度的因素有很多，本文用实验方法探讨外加电场频率变化对离子浓度的影响。

1 实验研究电场频率对离子浓度的影响

1.1 实验所用主要仪器及实验方法

1.1.1实验流程示意图(见图1)

1.1.2实验所用主要仪器

本实验主要仪器包括VW-0.42/7空气压缩机、NF-12高效精密过滤器、LZB-40玻璃转子流量计、KA-22 型热式风速计、DPM100型智能数字压力表及自制的空气流速匀速器等。

实验采用自制的大气压非平衡等离子体源(见图2)，采用TDGC2调压器来调节供给高频高压电源的电压；用自制的GGDY 型高频(1～20 kHz)高压(2～20 kV)电源为大气压非平衡等离子体源提供所需的电压。电参数检测系统是由SSZ40 型脉冲电流传感器、HV-60 型高压脉冲电压传感器、DS-8606A 型数字存储示波器和静电高压电压表Q4 、DLY-3型大气离子浓度测量仪等组成。

当高频高压电源产生的激励电压被加到放电电极上，在调节激励电压逐渐增大的过程中，放电间隙的空气被击穿，由于使用了特制的电介质阻挡片，避免了火花或弧光放电的出现，呈现的是介质阻挡放电中的强电离放电。

1.空气压缩机；2.过滤器；3.空气流量控制阀；4.流量计；5.气体匀速器；6.压力表；7. 高频高压电源；8. 大气压非平衡等离子体源；9.拖曳离子气体 ；10.电参数检测系统； 11. 等离子浓度检测仪

图1实验流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of the experimental flow

A.大气压非平衡等离子体源正剖面图

1. 高频高压电源； 2. 气流入口；3.气体放电间隙(电离放电区域)；4. 特制电介质阻挡片； 5.放电极； 6. 接地极； 7. 隔片； 8.气流出口；9. 气体放电产生时放电间隙的电离强度照片

B.大气压非平衡等离子体源照片

1.1.3实验方法

本文所指的频率是指高压电源为大气压非平衡等离子体源提供的交流激励电压Uext的频率，离子浓度是指(顺气流方向)距大气压非平衡等离子体源10 cm处的离子浓度，通过DLY-3 型大气离子浓度测量仪在该处测量获得。折合场强是放电电极与介质阻挡陶瓷(Al2O3)片之间放电间的折合场强，即放电间隙中流动空气的电场强度与空气分子数密度的比值。本实验的折合电场强度为323Td。实验步骤是将折合电场强度调至为323Td，进行频率与DLY-3 型大气离子浓度测量仪显示的数值ns之间的关系的测量。本实验所用的大气压非平衡等离子体源介质阻挡层厚度和放电间隙均为0.64 mm，空气流量为14 m3/h。实验结果参见频率与离子浓度之间关系实验数据表1及图3。另外，表中所列高压电源频率4.7～10 kHz对应的12个电压波形图分别由图4～15给出，每个波形的右下角都有频率值的标出，这也是本实验测量频率的方法。

1.2 离子浓度与频率的关系实验数据

频率对离子浓度影响实验数据见表1及图3。

表1 频率对离子浓度影响实验数据

图3 频率对离子浓度影响实验结果

图4 频率为4.7kHz的波形图

图5 频率为5.0kHz的波形图

图6 频率为5.5kHz的波形图

图7 频率为6.0kHz的波形图

图8 频率为6.5kHz的波形图

图9 频率为7.0kHz的波形图

图10 频率为7.5kHz的波形图

图11 频率为8.0kHz的波形图

图12 频率为8.5kHz的波形图

图13 频率为9.0kHz的波形图

图14 频率为9.5kHz的波形图

图15 频率为10.0kHz的波形图

2 实验结果分析讨论

根据实验数据(表1)绘制的曲线如图3所示。实验结果显示出：当折合电场强度和空气流量在某个确定值时，离子浓度随着高压电源频率增大而增大。这个实验结果可以这样来解释，频率的增加意味着放电通道内单位时间里放电时间的加长与非放电时间的缩短。因为外加的是交变电压，放电通道内单位时间里放电时间的加长与非放电时间的缩短是有限度的，这意味着离子浓度随着高压电源频率增大而增大的效果也是有一个上限的，在接近这个上限的过程中，我们从图3中看到了离子浓度随着高压电源频率增大而增大的，变化率是随着频率增大而逐渐减小的。

3 结 论

离子浓度随着高压电源频率增大而增大，变化率随着频率增大而逐渐减小。