单脉冲放电过程中等离子体通道的观测研究
DBD高压单脉冲放电过程分析
DBD高压单脉冲放电过程分析曹满辉;施芸城【摘要】利用微控制器同步高压脉冲放电和光谱采集,获得了管状介质阻挡放电(DBD) 20～40kV纳秒单脉冲放电的光谱特性,并利用示波器测量了单脉冲放电的电流和电压特性,计算了电子密度.根据实际测量的气隙电容和装置的物理结构尺寸,利用DBD等效电路,分析了放电特性和放电模式.结果表明,放电电压的大小对电子密度和光谱线强度都有影响,作为载气的氩气流量大小对电子密度和光谱线强度的影响较小.【期刊名称】《东华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(042)006【总页数】6页(P931-936)【关键词】介质阻挡放电(DBD);单脉冲放电;同步;光谱采集【作者】曹满辉;施芸城【作者单位】东华大学理学院,上海201620;东华大学理学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】O461大气压脉冲介质阻挡放电(DBD)因其易于实现的放电环境和能够产生高密度的等离子体被人们广泛运用在医疗、材料处理、环境治理等领域[1].文献[2]研究了在1 000 K的空气中脉冲放电模式,得出放电存在3种模式:电晕、火花和类辉光.文献[3]对脉冲和正弦模式的射流进行对比,研究了脉冲的电压对DBD的影响.文献[4]采用10 kV的脉冲放电,通过高速摄影对放电模式进行了分类.通常借用积分光谱仪来测量大气压氩气DBD的发射光谱.测量的方式是保持电源不停地放电,光谱仪采集一段时间的光谱.但是电源不停地重复放电后,采用通常的光谱采集方式是不能够判断外界条件的改变对每一次放电的影响是否一致,有哪些不同.通过采集单次放电的光谱,比较每一次放电的光谱变化,就能够判断在外界的条件改变后,对每一次放电的影响效果是否一致.本文将同步采集单次放电的光谱作为大气压脉冲DBD的光谱采集方式,并结合装置的物理结构尺寸等对单次放电电压和电流特性展开了讨论和研究.1.1 实验装置实验装置示意图如图1所示,由高压脉冲电源、同轴圆心电极、聚光系统、光谱仪以及微控制器(MCS)等构成.高压脉冲电源[5]通过磁开关方式提供纳秒上升沿的高压脉冲,放电电压为0～40 kV,上升沿约为130 ns,主脉冲宽度为350 ns.放电电极为DBD形式，它由两根石英管组成两个分割的腔体,如图2所示.外石英管的外径为8.4 mm,内径为6.4 mm.在外石英管外包裹一圈宽度为16.2 mm的铜片,作为放电电极的负极;内石英管的外径为4.2 mm,内径为2.2 mm.内石英管一端被烧结而封闭,与外石英管内腔空间隔离.内石英管中插入铜棒,为放电电极的正极.聚光系统由直径为38 mm,焦距为140 mm的凸透镜组成.采用AvaSpec-USB2型双通道光谱仪采集光谱,采集的波长范围为550～950 nm,光纤接头为SMA 905型,数值孔径为3.17 mm.1.2 光谱采集和脉冲放电的同步实验由微控制器MCS来提供脉冲放电电源和光谱仪同步工作的信号，同时MCS 也是脉冲高压源的控制系统.光谱仪可以由外部触发来启动和停止光谱的采集过程.触发模式为上升沿触发.首先,在给光谱仪一个脉冲信号后,光谱仪需要一个延时时间后才开始采集光谱,采集光谱的时间为积分时间,然后，光谱仪将采集到的光谱数据保存在PC机中,只有当延时时间、积分时间和储存数据的时间完成后,光谱仪才会对下一个脉冲上升信号响应.脉冲高压电源也是由MCS提供的信号触发形成脉冲高压.触发模式为下降沿触发.触发信号与光谱仪的触发信号同步,脉冲高压延迟7 ms到达同轴DBD放电电极,这7 ms也就是同步脉冲产生高压脉冲的时间.在脉冲高压开始上升80 ns后放电产生,随着电压达到最大值再下降,维持200 ns的放电电流.根据光谱仪的采集原理和高压电源的放电原理,实验设计了图3所示的放电时序图.MCS给光谱仪的高电平时间要至少保证光谱仪采集一次光谱,在下一个脉冲上升之前的时间,要保证光谱仪能够将数据保存下来,这样光谱仪才会对下一个脉冲上升沿响应. 在保证实验所用光谱仪能够采集单次的放电光谱,并储存数据的情况下,高压电源每隔40 ms放电一次.1.3 电子密度的计算利用电流波形图,图4的t时间段,实验计算放电一次的电荷,根据式(1)求得电荷.假定放电电流为圆柱形,放电细丝的电流直径d在100 μm左右[6],如图5所示,根据电流直径,计算放电的通道面积电极距离(即包裹在最外层的铜片宽度)为L.假设电荷为通道中的等离子体,由1价离子和电子组成,电子的电荷量Qe为1.6×10-19C,可求得电子密度或离子密度.2.1 单脉冲放电的电压、电流特性分析实验通入的氩气流量为1×10-3m3/min,单次放电,光谱仪的最小延时时间设置为2 μs,积分时间设置为12 ms,电极两端的电压及电流如图6所示.由图6可知,电流在-535 ns处达到最大值12.8 A,电压在-465 ns处达到最大值30.8 kV,说明电极两端电压在没达到最大值前就已经开始放电.电极两端的击穿电压大概在电流达到最大值处,易知为16.8 kV左右.电压的上升时间在130 ns左右.DBD等效电路如图7所示,由阻挡介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg构成.气隙没有击穿时, Cd和Cg串联;气隙击穿后,相当于在Cg并联上了一个随时间变化的等效电阻R(t).在电极不放电时,利用ZL7型自动LCR测量仪测得的电容约为1.7 pF.电容器的绝缘介质由两层石英玻璃管和空气组成.根据圆柱形电容的计算方法,放电电极(如图2所示)的电容可以按照式(4)估算.其中：εd为石英玻璃的介电常数;εg为空气的介电常数; ra、rb、rc和rd为图2中电极横截面的各个半径. 经计算得出的内层和外层石英玻璃等效电容串联后的Cd为3.65 pF,气隙的等效电容Cg为2.14 pF,两者串联后的等效电容约为1.35 pF. 根据DBD等效电路(如图7),假如气隙在一个周期里都不放电,气隙电压Ug和流过电路的模拟电流I分别为气隙电压和模拟电流波形图如图8所示.气隙在一个周期里有放电时，气隙两端电压Ug和放电电流Ig分别为其中：Ua和i分别为测得的电压和电流值.计算出来的气隙电压如图9所示.在DBD放电中,气隙击穿时,相当于是对Cd充电,Ud迅速上升.气隙电压等于Ua减去Ud,Ug就会随之下降,如图9中t1时间段所示.当气隙电压下降到不足以维持放电时,放电停止.在t1时间段内,当施加在气隙上的电压大于击穿电压,放电的时间在20 ns左右时,放电的时间在10-8s级别,用汤生理论无法解释,符合流光击穿的特征.说明放电过程中有流光产生,这与实验中观察到的放电现象符合.对比图8和9,发现在t2时间段内的电流变化趋势一致,说明t2时间段不存在放电现象,放电现象的发生只在t1时间段内,放电时间在20 ns左右,放电模式为介质阻挡细丝放电模式. 2.2 放电电压、氩气流量对电子密度和光谱强度的影响在脉冲施加电压为30.8 kV,氩气流量为1×10-3m3/min,采集到的氩原子发射谱线光谱图如图10所示.按照电子密度计算方法,取200 ns的放电时间,电流细丝直径为100 μm,载入气体氩气的流量为1×10-3m3/min时,得到不同施加脉冲电压下的电子密度或离子密度如图11所示.在图11中,随着脉冲电压幅值的提高,电子密度或离子密度增大.电压由20 kV增大为40 kV时,电子密度也由6.0×1017cm-3增大为1.2×1018cm-3左右.图11中,还根据电压的大小作出了每个施加脉冲电压下的10次放电对应的波长分别为763.498和772.332 nm平均光谱强度曲线.选取这两条谱线,是因为它们不在同一能级,彼此孤立,激发过程已知,激发能近似相等,谱线的跃迁概率等不随等离子体改变而变化[7].对比电子密度曲线和两个波长曲线,发现随着电子密度的增大,光谱强度也都在增强,增强的比例差不多.按照电子密度计算方法,取200 ns的放电时间,电流细丝直径为100 μm,施加电压为30.8 kV,改变载入气体氩气的流量从3×10-4m3/min到1×10-3m3/min时,计算的电子密度在9.7×1017cm-3左右,如图12所示.在图12中,也作出了施加脉冲电压不变,在每个氩气流量放电10次对应的波长为763.498和772.332 nm的平均光谱强度曲线.对比3条曲线发现,氩气流量很低时,随着氩气流量的提高,光谱强度显著增强,电子密度却不会变化.氩气流量增加到7×10-4m4/min以后,光谱强度几乎不变,电子密度也没有变化.整个过程说明了电子密度的改变与光谱强度的改变没有关系.对比图11和12可知:本实验中,假设放电细丝直径为100 μm,电荷为通道中的等离子体由带1价离子和电子组成.通过改变脉冲施加电压可以发现电子或离子密度发生变化,且电子浓度或离子浓度的变化与电压的变化成正比的线性关系.改变载入气体氩气的流量,电子或离子的密度基本上不变.在氩气流量不变时,光谱强度的变化与电子或离子的密度有关,且成正比的关系.在施加脉冲电压幅值不变时,光谱强度的变化与电子或离子的密度变化没有关系,而与氩气流量有关.氩气流量较低时,光谱强度随着流量的增大而增强,当氩气流量增大到一定值时,光谱强度随着氩气流量的再次增大而增强的不够明显,不再成线性比例关系.本文利用微控制器同步控制高压脉冲电源和光谱仪，采集到了在最短时间40 ms 内放电10次的每次光谱图，达到了以往光谱记录方式所不能够精确同步采集到单次放电的效果.利用示波器测量的单脉冲放电电压和电流,计算了电子密度.根据实际测量的气隙电容和装置的物理结构尺寸,利用DBD等效电路,分析了放电时间在20 ns左右,放电模式为介质阻挡细丝放电. 采用定性变量法改变放电电压和氩气的流量得出,放电电压的大小对电子密度和光谱线强度都有影响，氩气的流量大小对电子密度和光谱线强度的影响较小.【相关文献】[1] 江南.我国低温等离子体研究进展[J].物理,2011,35(2):130139.[2] PAI D Z,LACOSTE D A, LAUX C O. Nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmospheric pressure-the spark regime [J]. Plasma Sources SciTechnol,2010,19(6):6501565024.[3] WALSH J, SHI J, KONG M. Contrasting characteristics of pulsed and sinusoidal cold atmospheric plasma jets [J]. Appl Phys Lett, 2006, 88(17): 171501171503.[4] LU X,LAROUSSI M．Temporal and spatial emission behaviour of homogeneous dielectric barrier discharge driven by unipolar sub-microsecond square pulses[J]．Journal of Physics D：Applied Physics,2006,39(6)：11271131．[5] 宗泽源.高压纳秒脉冲的形成及其大气压下放电特性的研究[D].上海：东华大学理学院,2014.[6] CHINGSUNGNONE A, WILSON J I B, AMORNKITBAMRUNG V, et al. Spatially resolved atomic excitation temperatures in CH4/H2 and C3H8/H2 RF discharges by optical emission spectroscopy[J]. Plasma Sources Sci Technol,2007,16(3):434440.[7] BRUGGEMAN P, BRANDENBURG R. Atmospheric pressure discharge filaments and microplasmas: Physics, chemistry and diagnostics[J]. Journal of Physics D: Applied Physics,2013，46(46):771780 .。
物理实验技术中的等离子体测量与实验方法
物理实验技术中的等离子体测量与实验方法一、引言等离子体是一种高能量物质状态，其在自然界和实验室中都具有广泛的应用，例如等离子体技术可用于材料加工、能源研究、天体物理学等领域。
为了更好地研究等离子体的性质和行为，物理实验技术中的等离子体测量与实验方法显得尤为重要。
二、等离子体测量方法等离子体测量方法多种多样。
其中最常见的是通过电子探测器来测量电子的能量和轨迹。
电子探测器主要有离子阱、多普勒效应仪和电子能量分析仪等。
离子阱可通过收集离子来测量等离子体的离子密度和温度。
多普勒效应仪适用于测量等离子体中的离子速度分布。
电子能量分析仪可用于测量电子的能量分布。
通过结合这些仪器，可以获得较为全面的等离子体测量数据。
三、等离子体实验技术等离子体实验技术是研究等离子体的基础。
其中包括等离子体放电技术、等离子体对流技术和等离子体触发技术等。
等离子体放电技术是产生等离子体的关键。
最常见的放电方法是通过高频电场或直流电弧来激发气体分子或原子，使其电离形成等离子体。
在实验中，可以通过控制放电电压、频率和电流来调节等离子体的性质。
等离子体对流技术是等离子体研究中常用的技术手段。
通过对流技术，可以控制等离子体的形状和位置，在实验中进行进一步的观测和测量。
例如，通过控制等离子体的电磁场分布，可以实现等离子体在空间中的运动和分布控制。
等离子体触发技术是研究等离子体行为和性质的重要手段。
触发技术可以实现对等离子体的控制和操纵，从而进行更精确的测量和实验。
触发技术主要包括激光触发技术、高压脉冲技术和微波触发技术等。
四、等离子体测量与实验方法的应用等离子体实验技术和测量方法在科学研究和工程应用中具有重要的应用价值。
在材料加工领域，等离子体技术可以实现对材料表面的改性和控制，提高材料的性能和功能。
在能源研究领域，等离子体技术可以用于核聚变反应的研究，为清洁能源的开发提供技术支持。
在天体物理学领域，等离子体技术可以用于对太阳等恒星的研究，揭示宇宙中等离子体的行为和性质。
脉冲等离子体应用
p A exp( B E / p )
(α和E、P相关）
自由电子产生的电离倍增作用: • 阴极极板的电流：I0=en0.
A p exp(
Bp E )
•
•
n个电子通过dx层后新产生电子数: dn=nαdx
上式积分得: n=n0eαx 电子产生的电离倍增作用
•
•
电子电离的概率: eEλe>eUi
气体击穿
英国的J. S. Townsend 发现并解释了气体放电现象。
• 电路结构（容器抽至适当真空）。
• 外加电压>Vs时，发生击穿，出现 等离子体。 • 放电前后电压的变化。 • 阴极鞘层的出现。
对放电参数的分析
紫外线照射阴极控制阴极初始电流I0。放电开始前，有两个关系
1）I=I0eαx,(I是总电流，α称为Townsend第一放电系数） 2)
*
4.2 10 9 Te
0.31
19.8 exp T e
0.31
,
R2
Superelastic collision
e He * He e
Ground state ionization
1.999 10 10 Te
1.5 109 Te
-19.8
1
R3
0.68
e He He 2 e
Step-wise ionization
24.6 exp T e 4.78 exp Te
3 .4 exp T e
0.5
24.6
1,2
R4
e He He 2e
• PIC-MCC模型对脉冲工作期间的 等离子动态过程进行描述。 • Fluid 模型由于假设平均ε由E的本地值确定，因而只能用来描述pulse off 阶段。 当pulse off时用双极扩散方程描述，等离子密度轮廓为 n(x, t) 等离子密度, Ai 和 τi ≈ (1/Teμi)(L/(2i + 1)π)2为第i中模式下的幅度和消逝时间常数， L是间距。 • 当pulse on结束之后，直到平均ε<0.75eV、等离子电压<5V时，PIC停止。对密度轮廓做 傅立叶变换得Ai,用(1)式计算等离子体密度，待pulse on 时代入PIC。
脉冲放电等离子体技术的应用
脉冲放电等离子体技术的应用随着科技的不断发展，高新技术的涌现不断给人们生产生活带来便利与创新。
而脉冲放电等离子体技术就是其中之一。
它是一种利用脉冲电场产生的电离子和反应物质之间的相互作用，而形成的复杂非平衡态等离子体体系。
这种技术在工农业生产领域中有着广泛应用，尤其是能源、汽车制造、环保、材料科学等领域。
下面，本文将结合实际应用，对脉冲放电等离子体技术的应用进行探讨。
一、脉冲放电等离子体技术在能源领域的应用脉冲放电等离子体技术在现代能源领域中常被用于提高化石燃料的利用效率以及降低以煤为主要燃料的工业排放。
例如，用脉冲放电等离子体技术对煤粉进行处理，可以抑制煤的结焦、硫分、氮分和灰分等含量的增加，从而提高烟气中二氧化碳的挥发速度，减少污染物的排放。
此外，脉冲放电等离子体技术还可以用于太阳能电池制造。
在太阳能电池中，脉冲电场通过离子轰击等方法可以优化太阳能电池的制造和转换效率，并增加其电功率输出。
这种技术在解决能源危机和推广清洁能源方面具有重要意义。
二、脉冲放电等离子体技术在汽车制造领域的应用作为现代化工生产的重要组成部分，汽车制造是人们生产和出行的常用方式，而脉冲放电等离子体技术在汽车制造领域的应用更是不可避免。
例如，利用脉冲放电等离子体技术可以加速汽车轮胎胶原材料与橡胶的交联反应，从而提高橡胶的强度、柔韧性和防老性能，减少轮胎磨损和碳排放。
此外，脉冲放电等离子体技术还可以用于汽车表面涂层的处理，提高汽车外部颜色、抗氧化性、抗腐蚀性和润滑性。
同时，在车身、制动器和发动机等部件的加工制造过程中，脉冲放电等离子体技术也有着广泛的应用，以提高加工精度和生产效率，降低能耗和物资浪费。
三、脉冲放电等离子体技术在环保和材料科学领域的应用脉冲放电等离子体技术在环保和材料科学领域的应用也十分重要。
例如，在垃圾处理中，脉冲放电等离子体技术可以加速垃圾氧化分解，降低其污染物的含量和毒性，进而达到环保目的。
在材料科学领域，脉冲放电等离子体技术也广泛应用于材料表面处理、材料改性、材料复合和化合物的合成等方面。
等离子体物理学中的等离子体诊断技术
等离子体物理学中的等离子体诊断技术等离子体物理学是研究等离子体性质和行为的科学领域。
等离子体是一种高度激发和离化的气体状态，具有极高的能量和电导率，广泛应用于天体物理学、核聚变能源等领域。
为了深入研究等离子体的性质和行为，科学家们发展出了许多等离子体诊断技术，以帮助他们了解等离子体的物理性质和动力学过程。
本文将介绍几种常用的等离子体诊断技术。
1. 电子探测器电子探测器是一种用于测量等离子体中电子能谱和流动性质的仪器。
它可以通过测量电子的能量和速度来了解等离子体的温度和流动速度。
电子探测器的原理是基于电子的能量损失和扩散过程。
常用的电子探测器包括能量分析器、单能电子计数器和电子能谱仪等。
2. 离子探测器离子探测器用于测量等离子体中离子能谱和流动性质。
它可以通过测量离子的质量和能量来了解等离子体的组成和温度。
离子探测器的原理是基于离子的动量和能量损失过程。
常用的离子探测器包括质谱仪、离子能谱仪和离子微分能量分析器等。
3. 光谱诊断技术光谱诊断技术是一种通过测量等离子体中的辐射光谱来了解等离子体的温度、密度和组成。
光谱诊断技术主要有原子发射光谱、原子吸收光谱和脉冲放电光谱等。
原子发射光谱和原子吸收光谱可以通过测量原子谱线的强度和形状来推断等离子体的温度和密度。
脉冲放电光谱可以通过测量等离子体中的脉冲放电过程来了解等离子体的电子能级。
4. 等离子体成像技术等离子体成像技术是一种通过观察等离子体辐射的二维或三维图像来了解等离子体结构和运动的方法。
等离子体成像技术主要有干涉法和摄像法。
干涉法通过测量等离子体辐射的相位差来重建等离子体的三维结构。
摄像法通过图像传感器和光学设备来观察等离子体的空间分布和时间演化。
5. 高速相机高速相机是一种用于捕捉等离子体瞬态过程和演化的仪器。
它能以非常高的速度捕捉等离子体的光学辐射，从而提供等离子体的时间序列信息。
高速相机可以用于观察等离子体的击穿过程、等离子体波动和等离子体与壁面相互作用等研究。
脉冲放电等离子体灭活铜绿微囊藻的实验研究
文献 【 ｊ ９． １ ２ 实验 方法 ．
实验前 将处 于指数 期 的铜 绿微 囊藻接 种 到新鲜
的培 养基 中培养 至指 数 生长 期 ， 液 与灭 菌 的质量 藻
分数 为 ０ ８ ％ 的 Ｎ Ｃ 溶 液按 １ １的 比例 配成 一 定 ．５ ａ１ ：
对生 物体作 用产 生 的生 物效 应 是 非 常 复杂 的 ， 对 其
溶 液 溶 解 性 有 机 碳 （ ｉ ｏｖｄ Ｏ ｇｎｃ ａｂ ｎ Ｄ ｓ ｌ ｒａｉ ｓ ｅ Ｃ ｒｏ ，
Ｄ Ｃ） Ｏ 含量 的变 化 ， 析 放 电灭 活 铜 绿 微 囊 藻 的 原 分
因， 为进 一 步推 断该 系统 的灭 藻机 理提供 理论 依据 ．
１ 材 料 与 方 法
１１ 实验 装置和 藻 的培养 ．
２０ Ｃ， 尼柯 上 海 仪 器 有 限公 司 ） 定 光 密 度 ， １２ 尤 测 计 算 ＭＤ Ａ含量 ． Ａ含 量用 ｐ ・ ｇ ｗ） 表示 ： ＭＤ Ｌ （Ｆ Ｍ
样 的 Ｄ Ｃ含量增加明显 ， ６０ ｇ Ｌ增加到 １． ７ｍ ／ ． Ｏ 从 ．４ｍ ／ ０６ ｇＬ
关键 词 ： 电等离子体 ； Ｄ 放 Ｍ Ａ含量 ； 细胞膜通透性 ； Ｏ Ｄ Ｃ含量
中图分类号 ： Ｍ Ｔ８ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ７７６ （０ １ ０ ．０ ８０ １０ －１２ ２ １ ） ０ １ ． ４ ４
经济快 速发 展 的 同时 ， 水体 富 营养 化 现象 １益 ３ 严重 ， 蓝藻水 华现 象 日益显现 ． 冲放 电等离 子体 技 脉 术 因处 理效 率高 、 用 时间短 、 作 不产 生二 次污染 等 特
点越来 越 多 地 应 用 在 污 染 治 理 方 面 Ｈ ． 冲 放 电 ］ 脉
纳米材料的脉冲放电等离子体制备技术
纳米材料的脉冲放电等离子体制备技术随着科学技术的不断发展，纳米材料的研究和制备成为了一个热门话题。
这是因为纳米材料具有许多特殊的物理、化学和机械性质，使得它们拥有广泛的应用前景。
然而，传统的材料制备方法在制备纳米材料过程中遇到了很多问题，为此，科学家们提出了一种新型制备技术——脉冲放电等离子体制备技术，它可以有效地制备出高质量的纳米材料。
本文将深入探讨纳米材料的脉冲放电等离子体制备技术。
一、纳米材料的特殊性质首先，我们要介绍一下纳米材料的特殊性质。
纳米材料是一种粒径在1到100纳米之间的材料，它具有不同于其它材料的特殊性质。
其中最重要的特点是其表面积和体积比例高。
表面积和体积的比例越高，表面能就越大，与其周围环境发生相互作用的能量也就越大，这就导致了纳米材料的化学、物理、机械、光学、热学等方面的特殊性质。
例如，纳米金粒子可以表现出金属基态没有的吸收和发射光谱峰，同时，它具有更高的电导率和更高的力学硬度等物理和化学特性。
二、传统的纳米材料制备方法传统的纳米材料制备方法通常有物理实验法和化学合成法两种。
物理实验法包括纳米压制、纳米碾磨、气相凝聚、等等。
以气相凝聚为例，它的步骤包括以特定的气体为原料，在一个低压的反应室中通过电弧或激光加热，使原料发生化学反应，生成气态物质转为固态纳米粉末。
但这些方法所需要的生产设备和技术复杂，且成本高昂，生产周期长，不适用于大规模生产。
化学合成法则是以化学反应为基础的制备方法，可以用溶胶-凝胶法、微乳液法、水热合成法等合成纳米材料。
但很多化学合成法过程中涉及到毒性和腐蚀性较大的物质，容易对环境和人体造成污染，需要较严格的操作环境和技术要求。
三、脉冲放电等离子体制备技术的特点脉冲放电等离子体制备技术是一种新型、快速并且方便的制备纳米材料的方法。
其主要的特点有：1、低成本，大规模生产。
脉冲放电等离子体制备纳米材料，不需要昂贵的设备，且制备工艺相对简单，适用于大规模生产。
2、制备速度快。
等离子体放电实验报告
等离子体放电实验报告《等离子体放电实验报告》摘要：本实验旨在探究等离子体放电的特性和规律。
通过在实验室中建立等离子体放电装置，观察等离子体放电的过程和现象，分析实验数据，得出了等离子体放电的规律和特性。
实验结果表明，等离子体放电是一种高能物质释放的现象，具有较强的热量和光谱特性，对于研究等离子体物理和应用具有一定的参考价值。
引言：等离子体是一种由带电粒子和中性粒子组成的物质状态，具有高能量和高温度的特性。
等离子体放电是指在一定条件下，等离子体发生放电现象，释放出能量和光谱。
本实验旨在通过建立等离子体放电装置，观察等离子体放电的过程和现象，探究其规律和特性。
实验装置和方法：本实验采用了等离子体放电装置，包括真空室、高压电源、等离子体激发源等。
首先，将真空室抽成一定的真空度，然后加入适量的气体，通过高压电源加电，形成等离子体放电。
在等离子体放电的过程中，使用光谱仪和热像仪对等离子体放电的光谱和热量进行观测和记录。
实验结果和分析：实验结果显示，等离子体放电过程中释放出大量的能量，产生强烈的光谱和热量。
通过光谱仪观测到了等离子体放电的光谱特性，发现了特定波长的光线，表明等离子体放电产生了特定的能级跃迁。
同时，热像仪观测到了等离子体放电的高温现象，显示出了等离子体放电的高能量特性。
结论：通过本实验，我们得出了等离子体放电的特性和规律。
等离子体放电是一种高能物质释放的现象，具有较强的热量和光谱特性。
这对于研究等离子体物理和应用具有一定的参考价值。
同时，本实验也为进一步研究等离子体放电提供了一定的实验基础和数据支持。
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单脉冲放电过程中等离子体通道的观测研究田静,杨晓冬(哈尔滨工业大学机电工程学院,微系统与微结构制造教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150001)摘要:研究放电过程中等离子体通道的形成和变化过程,对于分析火花放电微观过程和电火花加工机理具有重要意义。
利用高速摄像机,对单脉冲放电过程中的等离子体通道进行了观测研究。
结果表明:等离子体通道在介质击穿后几微秒内完成膨胀,之后在极间做类圆周运动且运动幅度逐渐增大,在放电结束后几微秒内消失;电极放电端部形状对于等离子体通道直径影响不大,但对于等离子体通道运动状况影响显著。
关键词:电火花加工;单脉冲放电;等离子体通道;高速摄影中图分类号:TG661文献标识码:A文章编号:1009-279X (2018)05-0019-05Study on Arc Plasma During Single Pulse Discharge by ObservationTIAN Jing ,YANG Xiaodong(Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing of Ministry of Education ,School of Mechatronics Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China )Abstract :For better cognition of the phenomena and processing mechanism of EDM ,it is of great significance to investigate the formation and changing process of the arc plasma during a discharge.Inthis paper ,a high speed video camera was used to observe the arc plasma during a single pulse discharge.The results show that the arc plasma expanded completely within several microseconds after dielectric breakdown ,and then moved in a similar circular motion between the electrodes ,and theamplitude of the motion increased gradually.The end shape of the electrode has little influence on the diameter of the arc plasma ,but significant influence on the motion of the plasma.Key words :EDM ;single pulse discharge ;arc plasma ;high-speed video收稿日期:2018-03-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(51575136);黑龙江省自然科学基金重点资助项目(ZD2015009);微系统与微结构制造教育部重点实验室开放课题研究基金资助项目(2017KM002)第一作者简介:田静,女,1994年生,硕士研究生。
电火花加工是目前应用广泛且具有发展前景的特种加工方法之一,是在加工过程中使工具和工件之间不断产生脉冲性火花放电,依靠放电时局部产生的高温将材料蚀除[1]。
火花放电过程的第一阶段是极间介质击穿,形成等离子体放电通道,等离子体通道在工具电极和工件表面形成瞬时高温热源,将放电点处的材料通过熔化、气化蚀除。
因此,等离子体通道的形成和变化过程等直接影响材料的蚀除及放电凹坑的形貌等加工特性。
研究等离子体通道,对于更好地分析火花放电微观过程和电火花加工机理具有重要意义。
新的实验观测工具和测量技术的蓬勃发展,给等离子体通道的研究提供了有利的基础。
由于火花放电过程是在极短的放电时间内发生在极小的放电间隙里,以往的研究人员只能通过分析放电结果及大量实验数据,推导出各种等离子体通道半径的经验公式[2-4]。
近年来随着新技术的成熟应用,等离子体通道的研究有了更直观的体现。
Kojima 等[5]对放电通道半径的形成过程进行了高速摄像采集,并对等离子体通道进行了光谱仪分析。
Kitamura 等[6]及Macedo [7]等采用了类似的观测手段对等离子体通道进行了研究。
以上研究结果均表明,等离子体通道在介质击穿后几微秒内完成膨胀,之后通道直径保持恒定。
在目前研究中,对于火花放电中等离子体通道的研究大多数仅集中于通道直径的大小。
为了进一步地了解、认知等离子体通道,本文在专门设计的19——单脉冲放电观测实验装置上进行了一系列单脉冲放电实验,并用高速摄像机采集记录,对等离子体通道的形成和变化过程等进行了观测研究。
1实验装置及实验条件单脉冲放电过程中的等离子体通道观测实验装置见图1。
实验采用单脉冲电源,通过示波器对放电电流进行捕捉,示波器被触发的同时触发高速摄像机,高速摄像机开始存储拍摄到的放电过程并将图像传输到计算机中。
实验所用高速摄像机为Phantom系列黑白摄像机,通过千兆网线与计算机连接。
放电开始之前,工具电极和工件电极之间的极间间隙通过接触感知确定零间隙位置,通过微动平台调整放电间隙。
根据观察、研究的侧重点不同,实验条件和拍摄条件均不同。
实验条件见表1,拍摄条件见表2。
表1中所列出的三种工具电极放电端部形状示意图见图2。
2等离子体通道直径观测结果分析下文以高速摄像机捕捉到的第一张出现白光的图像为第1帧图像。
该图像中的白光除等离子体通道所发出的光外,还有高温熔融金属反射的光,通过观察整个单脉冲放电过程可以发现,等离子体通道所发出的光更集中更亮,而高温金属反射的光区域范围大且模糊不清;同时还发现,等离子体通道在极间处于不断运动状态。
因此,在估测等离子体通道直径时,本文选取等离子体通道运动到电极中间位置焦面上的图像进行分析。
2.1等离子体通道膨胀与消失过程直径变化本部分实验条件和拍摄条件同表1、表2,其中放电间隙为40μm、图像为分辨率128×32pixel、相机拍摄帧数为58万帧、曝光时间为1.316μs。
为了更清楚地展现出等离子体通道膨胀的全过程,实验选用了小分辨率下的最高帧率及最大曝光时间。
图3是采用直径1mm的倒圆平头紫铜工具电极进行的单脉冲放电过程。
可见,白色曲线为工具电极轮廓线,虚线为工件轮廓线,箭头所标出的区域宽度为等离子体通道直径。
T=0μs时为放电开始前,此时工具电极最底端到工件平面的距离即放电间隙为40μm。
T=0~1.316μs时,高速摄像机捕捉到第1帧图像,该图像中出现明亮的白光即等离子体通道,这表示极间介质在该时间段内的某时刻被击穿形成放电通道,而后放电通道开始膨胀扩大;根据极间间隙大小估计约T=1μs时等离子体通道直径约为60μm。
T=1.71~3.026μs时,高速摄像机捕捉到第2帧图像,与第1帧相比可明显看出等离子体通道发生了急速地膨胀;估测T=3μs时等离子体通道直径约为200μm,再对比后面的第34帧、第201帧图像可判断出,此时的等离子体通道基本上完成了膨胀过程(图4)。
另外还可见,在第3帧图像中,极间介质被高温等离子体汽化为蒸汽形成的气泡快速扩张崩溃,阻碍了相机的拍摄视线,因此白光模糊一片。
从第4~33帧图像均因上述原因无法清楚地观察到等离子体通道的情况。
在第34帧图像和随机选取的第201帧图像中,煤油已经完全飞溅开,相当于此时的电脑高速摄像机工具电极工件单脉冲电源电流探头示波器图1单脉冲放电观测实验装置示意图(a)平头(b)倒圆平头(c)尖头图2工具电极放电端部形状示意图表1等离子体通道观测实验条件项目数值或条件工具电极直径1mm紫铜电极工具电极放电端部形状平头、倒圆平头、尖头工件材料模具钢加工极性正极性电压幅值/V110放电电流/A15放电间隙/μm20、40脉冲宽度/ms2工作介质煤油项目数值或条件分辨率/pixel128×32、256×128帧率/fps580000、140000曝光时间/μs 1.316、1镜头光圈 2.8表2等离子体通道观测拍摄条件20——图4等离子体通道膨胀过程示意图放电过程在气中稳定进行,图像中高亮白光即为等离子体通道所发出,由图像可估计等离子体通道的稳定直径约为200μm 。
第393帧是捕捉到的等离子体通道开始收缩的图像,即通道收缩发生在T=670.32~672.03μs 时间段内的某时刻。
第394帧图像与上一帧对比,可以明显看出等离子体通道急剧消失,几乎看不到明亮的白光。
在第395帧图像中,极间已完全没有亮光,这表示此时等离子体通道完全消失,而图像中模糊不清的暗光为高温金属所反射的光。
根据以上观测结果可得出:在放电电流15A 、放电间隙40μm 条件下,极间介质击穿后的等离子体通道在约3μs 的时间里完成膨胀,之后保持稳定,稳定的通道直径约200μm ;而在放电结束时,等离子体通道又在约4μs 的时间里迅速收缩直至消失。
通过多次重复实验,均可得到上述结论;通过观察不同电极形状下的放电过程,也可发现等离子体通道完成膨胀和消失的时间均为几微秒。
下文所提等离子体通道直径大小,是指膨胀完成后的稳定通道的直径大小。
2.2电极放电端部形状对通道直径大小的影响为了研究电极放电端部形状对等离子体通道直径大小的影响,在表1、表2所示条件下,分别采用直径1mm 的平头、倒圆平头、尖头紫铜工具电极(图2)进行实验。
其中,采用平头、倒圆平头电极时的放电间隙为40μm ,采用尖头电极时的放电间隙为20μm 。
由于尖头电极易出现电极损耗,放电之后的极间间隙会迅速增大,为了对比相同放电间隙下的放电通道,实验在尖头电极情况下采用了较小的初始放电间隙;由于尖头电极迅速出现电极损耗,选取电极损耗后、间隙约40μm 时的图像与另两种电极时的图像对比。
相机拍摄时,取图像分辨率为256×128pixel 、拍摄帧数为14万帧、曝光时间为1μs 。
从图5所示不同电极放电端部形状下的等离子体通道图像可见,在其他条件相同的情况下,电极放电端部形状对等离子体通道直径的影响不大。
根据多次重复实验观测结果可发现,在放电电流为15A 、放电间隙40μm 条件下,三种形状电极放电过程中等离子体通道的稳定直径均约为200μm 。