发布日期:2025/8/12 13:38:00

      大气压介质阻挡放电(DBD)能够在常压环境下生成非平衡等离子体,已成为备受瞩目的研究领域。通过脉冲或交变电源激发放电,探究电源输出特性、电源与放电发生器负载间的匹配关系以及外界条件对放电过程的影响,对于深入理解放电现象、提升放电效率具有重要意义。本文运用 Lissajous 图形法,分别研究了驱动电压、气流速率等因素对同轴 DBD 发生器介质层等效电容及负载幅频特性的影响规律。结果显示,气流速率和驱动电压等外界条件会对 DBD 发生器的负载特性产生作用:介质层等效电容随气流速率的增大而减小,随驱动电压的增大而增大;幅频特性曲线均呈现出 RLC 回路谐振现象,谐振频率随气流速率的增大而升高,随驱动电压的增大而降低。经对比发现,介质层等效电容随频率的变化曲线与幅频特性曲线具有一致的特征,介质层等效电容是导致电路谐振频率动态变化的主要因素。此外,本文还提出了一种关于介质层等效电容的形成机制。​

一、引言

(1)研究背景与意义​

      大气压介质阻挡放电(DBD)作为产生非热平衡等离子体的便捷方式,在众多领域得到了广泛应用,如臭氧发生器、​CO2​激光器、准分子紫外光源、污染物控制与脱除以及材料表面改性等。为了获得大面积均匀低温等离子体,深入研究放电条件,如驱动电压、驱动频率、气隙间距、介质成分与厚度、气流、工作压强等因素对放电特性的影响机制,已成为近年来 DBD 领域的研究热点。​

      外界条件能够显著影响 DBD 发生器的放电特性和放电模式,然而,目前对于其作用机制的研究尚不够深入。例如,在大气压 DBD 放电中,控制 He 气流速在一定范围内,可实现稳定的均匀放电模式,原因是载入的 He 气流量降低了击穿电压,从而可同时达到最高放电效率及 He 亚稳态数目。不同气流速率条件下,下游区域等离子体射流长度存在差异,可划分为层状模式、过渡模式与湍流模式。快速气流能够抑制放电过程中的热电离不稳定性,使空气环境中的辉光放电更加稳定。大气压氦气 DBD 放电电流会随着流速的增加先减小后增大,这是由于氮分子对氦亚稳态的猝灭作用所致。研究还发现,氩气和空气混合气体介质阻挡放电中,放电丝结构会随外加电压及气压的变化而改变,并且在氦等离子体射流研究中,不同外加电压下可呈现类 streamer 放电和类辉光放电模式。不同驱动频率下,氩等离子体放电模式也会发生转变。​

      放电条件的改变会导致放电模式的变化,进而影响放电电路的谐振特性。将电源与 DBD 发生器构成的电路系统进行等效模型化,对于研究放电条件与等效电路电气特性之间的关系具有重要意义。​

为提高 DBD 发生器的放电效率,改善等离子体的均匀性,实现电源与负载之间的阻抗匹配至关重要。通过阻抗匹配,可使电源输出的能量更多地耦合到发生器中,降低发生器对电源的反射功率。然而,在 DBD 过程中,驱动电压、气流速率等外界条件的变化可能导致放电系统的电气特性发生动态改变,从而影响阻抗匹配的效果。DBD 通常采用方波脉冲电源或者准正弦的脉冲电源,其过程涉及等离子体点火、熄灭和亚稳态激发、复合过程,以及电荷在空间迁移和壁面吸附等复杂的宏观、微观过程。此外,DBD 的放电气体和放电方式也会对电气特性产生影响。因此,建立合理的电路模型,深入分析内在影响机制,对于提高匹配效果具有重要的现实意义。尽管目前已有一些 DBD 放电系统的匹配方案报道,但大多未充分考虑气流等条件对系统电学参量及放电特性的影响。本文聚焦于研究介质层等效电容这一电学特征参量,通过实验测量参数,结合等效电路模型,分析负载电阻、电抗与阻抗值随驱动电压和气流速率的变化规律,旨在为实现电源与负载间的动态阻抗匹配提供有效的技术手段。​

(2)国内外研究现状​

      在国外,对于 DBD 等离子体负载的研究开展较早且较为深入。Nersisyan 和 Graham 发现通过控制 He 气流速可实现大气压 DBD 稳定均匀放电模式 。Akishev 等指出快速气流对空气环境中辉光放电稳定性的影响 。这些研究从不同角度揭示了外界条件对 DBD 放电特性的作用。在动态阻抗匹配技术方面,一些研究提出了多种匹配网络和控制策略 ,但在考虑复杂外界条件影响方面仍有待完善。​

      国内相关研究也取得了一定成果。江南等在氦等离子体射流研究中发现不同电压下的放电模式 。刘等利用一维流体模型模拟不同驱动频率下氩等离子体放电模式转变 。在阻抗匹配研究上,部分学者针对特定应用场景提出了相应的匹配方法 ,但在全面考虑 DBD 放电过程中各种因素动态变化对阻抗匹配影响的研究还不够系统。总体而言,目前对于 DBD 等离子体负载在复杂外界条件下的动态阻抗匹配技术研究尚存在不足,需要进一步深入探究。​

二、DBD 等离子体负载特性分析

(1)DBD 等离子体产生原理​

      DBD 是一种典型的非平衡态交流气体放电形式。在两个电极之间插入绝缘介质(如玻璃、陶瓷、石英等),当施加足够高的交变电压时,气体被击穿产生放电现象。其本质是通过绝缘介质限制放电电流,避免形成局部弧光放电,从而在气隙中产生均匀、稳定的等离子体。​

      当交变电压作用于电极时,电极间建立电场,气体中的自由电子在电场作用下加速运动,与中性气体分子碰撞,使分子电离产生更多电子和离子,形成初始电子崩。随着放电发展,产生的电荷会积累在绝缘介质表面,形成与外电场方向相反的感应电场,抑制放电电流的进一步增大,避免弧光放电的形成。在交变电压的正负半周,介质表面的电荷不断积累和释放,维持着稳定的微放电通道,这些微放电通道随机分布且快速熄灭和重燃,宏观上表现为均匀的放电等离子体。​

(2)负载特性影响因素​

1.驱动电压的影响​

      驱动电压是影响 DBD 等离子体负载特性的关键因素之一。当驱动电压发生变化时,会直接影响等离子体放电的起始、发展和稳定状态。随着驱动电压的增大,电极间电场强度增强,气体分子更容易被电离,从而使等离子体密度增加。这会导致放电电流增大,同时也会影响介质层等效电容。实验表明,介质层等效电容随驱动电压增大而增大。在实际应用中,如在臭氧发生器中,较高的驱动电压能够提高臭氧的生成速率,但同时也可能带来一些问题,如对电源功率要求提高、放电稳定性下降等。​

2.气流速率的影响​

      气流速率对 DBD 等离子体负载特性也有着显著影响。气流的引入可以改变放电区域的气体成分、温度分布以及带电粒子的输运过程。增大气流速率,一方面可以将放电产生的热量和反应产物及时带出,降低放电区域的温度,抑制热电离过程,使放电更加稳定;另一方面,气流会影响等离子体中粒子的浓度和分布,进而影响放电特性。研究发现,介质层等效电容随气流速率增大而减小,且幅频特性曲线中的谐振频率随气流速率增大而增大。在等离子体污染物控制应用中,合适的气流速率能够提高污染物的去除效率,但如果气流速率过大,可能会导致等离子体与污染物接触时间过短,反而降低处理效果。​

3.其他因素的影响​

      除了驱动电压和气流速率外,还有诸多因素会对 DBD 等离子体负载特性产生影响。例如,驱动频率的变化会影响放电的功率、等离子体密度和均匀性。工作电压通常为数千伏至数十千伏,频率范围从工频(50/60Hz)到兆赫兹级,不同的频率范围适用于不同的应用场景。介质的成分与厚度也会对放电特性产生作用,不同的介质材料具有不同的介电常数和绝缘性能,会影响电荷在介质表面的积累和释放过程,从而影响放电的稳定性和等离子体的特性。气隙间距同样重要,合适的气隙间距能够保证放电的均匀性和稳定性,气隙间距过大或过小都可能导致放电模式的改变和放电效率的降低。工作压强的变化也会影响气体分子的密度和平均自由程,进而影响等离子体的产生和特性。在高气压环境下,气体分子密度大,电子与分子碰撞频率高,有利于等离子体的产生,但也可能增加放电的不稳定性;而在低气压环境下,气体分子平均自由程长,电子在电场中加速距离长,更容易获得足够能量激发和电离气体分子,但等离子体密度相对较低。​

三、动态阻抗匹配原理

(1)阻抗匹配基本概念​

      阻抗匹配是指通过调整电路中的元件参数,使电源的输出阻抗与负载阻抗相匹配,以实现高效的能量传输。在 DBD 等离子体系统中,电源输出的能量需要有效地传输到负载(即 DBD 发生器)中,以维持稳定的等离子体放电。当电源输出阻抗与负载阻抗不匹配时,会导致部分能量反射回电源,降低能量传输效率,同时可能影响电源的稳定性和等离子体的放电特性。例如,若负载阻抗呈现容性,而电源输出阻抗为感性,两者不匹配会使得电路中产生较大的无功功率,导致能量浪费,且可能引起电压波动,影响等离子体的均匀性和稳定性。​

(2)动态阻抗匹配的必要性​

      在 DBD 等离子体放电过程中,由于受到驱动电压、气流速率、工作压强等多种外界条件的影响,负载阻抗会发生动态变化。例如,随着驱动电压的升高,等离子体密度增加,负载的等效电阻和电抗会相应改变;气流速率的变化会影响等离子体的温度和粒子浓度分布,进而导致负载阻抗变化。如果采用固定的阻抗匹配方式,无法适应负载阻抗的动态变化,会导致能量传输效率降低,放电不稳定。因此,需要引入动态阻抗匹配技术,实时监测负载阻抗的变化,并相应地调整匹配电路的参数,以保证在不同工作条件下都能实现高效的能量传输和稳定的等离子体放电。​

(3)动态阻抗匹配实现方式​

      实现动态阻抗匹配的方式有多种,常见的包括采用可变电容、可变电感组成的匹配网络,通过自动控制系统实时调整电容和电感的值来匹配负载阻抗的变化;利用智能算法,如模糊控制、神经网络等,根据实时监测到的负载阻抗信息,计算出最佳的匹配参数,并控制相应的执行机构调整匹配电路;还可以采用数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)等数字控制芯片,实现对匹配过程的精确控制。例如,在一些实验装置中,通过在电源与 DBD 发生器之间接入由可变电容和可变电感组成的 LC 匹配网络,利用高精度的电压和电流传感器实时监测负载端的电压和电流信号,经过计算得到负载阻抗,再通过控制系统调整可变电容和电感的值,使匹配网络的输出阻抗与负载阻抗相匹配,从而实现动态阻抗匹配。​

四、实验研究

(1)实验装置与方法​

1.实验装置搭建​

      实验采用的主要装置包括同轴 DBD 发生器、驱动电源、测量设备等。同轴 DBD 发生器由内电极、外电极和中间的绝缘介质层组成,绝缘介质层采用石英材料。驱动电源为可提供不同频率和电压幅值的交流电源。测量设备包括 Tektronix P2000 型高压探头(带宽为 200MHz)用于测量放电电压,Tektronix TCP312 型电流探头用于测量放电电流,Tektronix TCPA300 型数字示波器用于采集电压和电流信号。此外,还使用了一个大小为 16.4nF 的电容 Cs 与反应器串联,用于采集介质板上积累电荷。在中频交流电源和 DBD 等离子体反应器之间并联 LC 阻抗匹配网络,该网络包括 1nF 高压电容 C1、在 47 - 300pF 范围内连续可调的电容 C2 及 2.7 - 32H 的电感 L 。​

2.Lissajous 图形法测量原理​

      本文利用放电电压与电流波形获得 Lissajous 图形,并对大气压同轴 DBD 发生器进行电学诊断。为测量 DBD 放电电极之间的迁移电荷 Q,采用电流探头直接测量 DBD 电流信号,将电流信号对时间积分得到转移电荷量 Q,最后得到 Q - V Lissajous 图形。采用编制的 Lissajous 图形参数计算程序处理实验数据。通过分析 Lissajous 图形的形状和参数,可以得到放电发生器等效介质层电容值随驱动电压和气流速率条件变化的动态变化规律,以及驱动电压和气流速率对发生器负载幅频特性的影响规律。​

(2)实验结果与分析​

1.介质层等效电容变化规律​

      实验发现,介质层等效电容随气流速率和驱动电压的变化呈现出特定规律。在不同驱动频率下,介质层等效电容随气流速率的变化情况不同。在 28kHz,7kV 条件下,放电功率相对较小,在 40kHz,7.7kV 条件下,放电功率增大,气流速率较小时,介质层等效电容变化较缓慢;在 35kHz,7.4kV 条件下,变化特性居于上述两种情况之间。这表明介质层等效电容的变化与放电功率有关,且在不同电源参数下,其随气流速率的变化率不同。同时,介质层等效电容随驱动电压增大而增大,这是因为驱动电压升高,等离子体密度增加,使得介质表面积累的电荷增多,从而导致等效电容增大。​

2.负载幅频特性分析​

      工作于不同驱动频率时,发生器负载上的电压随气流速率变化的关系可表现出截然相反趋势。当驱动电压幅值为 7.25kV,驱动频率为 28kHz 时,增加气流速率负载电压随之减小;而当驱动频率为 40kHz 时,负载电压随气流速率的增大呈增大趋势。谐振特性是 DBD 发生器的重要特征之一,发生器与电源输出之间的匹配状态决定了系统的放电效率,工作于谐振频率时系统的功率效率最高。增加气流速率,谐振频率逐渐增大,同时,增大气流速率,谐振负载电压也逐渐升高;当驱动频率在小于谐振频率的区域内变化时,发生器负载电压变化率较大,表现出明显的容性负载特征。在驱动频率处于 32kHz 附近,不同气流速率对应的负载电压近似相等,约 7kV,说明工作于此频率的放电状态受气流的影响很小,这对 DBD 应用中稳定放电状态具有一定的指导意义。​

五、动态阻抗匹配技术应用

(1)在等离子体发生器中的应用​

      在等离子体发生器中应用动态阻抗匹配技术,能够显著提高其性能。通过实时监测负载阻抗的变化,并及时调整匹配网络参数,可使电源输出的能量更高效地传输到等离子体发生器中,从而提高等离子体的产生效率和稳定性。在材料表面改性应用中,稳定且高效的等离子体源能够使材料表面处理效果更加均匀、一致,提高材料的表面性能。动态阻抗匹配技术还可以降低电源的负担,延长电源的使用寿命,减少设备维护成本。由于能够适应不同工作条件下负载阻抗的变化,等离子体发生器的应用范围也得到了拓展,可以在更复杂的环境和工艺要求下稳定运行。​

(2)在其他相关领域的潜在应用​

      除了在等离子体发生器中的直接应用,动态阻抗匹配技术在其他相关领域也具有潜在的应用价值。在污染物控制与脱除领域,DBD 等离子体可用于处理废气、废水等污染物。动态阻抗匹配技术能够保证在不同污染物浓度、气流速率等条件下,等离子体放电稳定且高效,从而提高污染物的去除效率。在准分子紫外光源领域,通过动态阻抗匹配优化等离子体放电,可提高紫外光源的发光效率和稳定性,为相关光化学反应提供更稳定、高效的光源。在一些需要精确控制等离子体参数的科研实验中,动态阻抗匹配技术能够确保实验条件的稳定性和可重复性,有助于科研人员获得更准确的实验结果,推动相关领域的科学研究进展。​

六、结论

      本文通过对 DBD 等离子体负载的动态阻抗匹配技术进行研究,得出以下主要结论:外界条件如驱动电压和气流速率对 DBD 发生器的负载特性有显著影响,介质层等效电容随气流速率增大而减小,随驱动电压增大而增大;幅频特性曲线呈现 RLC 回路谐振现象,谐振频率随气流速率增大而增大,随驱动电压增大而减小,且介质层等效电容是影响电路谐振频率动态变化的主要因素。通过 Lissajous 图形法实验测量,获得了介质层等效电容及负载幅频特性随外界条件变化的规律。动态阻抗匹配技术对于提高 DBD 等离子体系统的性能至关重要,能够适应负载阻抗的动态变化,实现高效的能量传输和稳定的等离子体放电。

产品展示

      SSC-DBD3050介质阻挡放电等离子体电源,使用了公司独有的智能控制技术生产,具有负载匹配范围宽,体积小,重量轻,效率高,结构简单,操作容易但功能强大,稳定可靠,等优点。电路采用模块化设计,调试维修方便。本电源独有的完善保护,使电源能够工作于各种复杂的环境,中英文提示功能,使问题清晰准确。

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