大气压放电
空气中大气压下均匀辉光放电的可能性
用于工业生产的是大气压下空气中放电产生的等离 子体 - 虽然大气压下空气中电晕、 电弧、 介质阻挡放 电都能产生等离子体， 但电晕放电太弱因而处理效 率低； 电弧放电太强将损坏试品； 介质阻挡放电通常 是由一些具有较高能量密度的放电细丝组成的， 它 难以对材料进行均匀处理， 并可能损坏试品 - 因此， 最佳选择是功率密度适中 （ !" .0 ・1.
明亮的辉光层； 而间隙中间部分是相对暗层 ! 这与辉 光放电中阴极区是明亮的负辉光区， 其余部分是相 对较暗的正柱区的现象是一致的 ! 由于外加电压是 交变电压， 上下电极随时间交替为阴极， 因此， 图/ 所示的时间积分放电图像中靠近上下电极处均呈现
［1］ 出明亮的负辉光层 ! 另外， 法国的 9:;;<=*; 等 对大 气压下氦气在介质阻挡电极中的放电过程进行了数
图 & /%% 空气间隙中的大气压下似辉光放电
我们还对美国 @ABC 教授提出的离子捕获 （ <A=D ［5］ 机理 进行了实验验证 ! @ABC 认为： 如果选 B):’’<=>） 择合适的工作电压频率， 使间隙中放电产生的离子 来不及在外加电压的半周期 $ % / 时间内 （即外加电 场改变极性之前） 全部抵达阻挡介质， 这将在气体间 隙中留下空间电荷， 下一个半周期放电过程将受此 空间电荷的影响， 所需的放电场强将明显降低， 有利 于避免流注放电的形成 ! 对于产生大气压下辉光放 电而言， 合适的电压频率是使电场只捕获离子而不 捕获电子， 即
值模拟， 结果表明放电通道中各种参量 （电场、 电荷 密度等） 分布与低气压下辉光放电很相似， 同样存在 相对高场强的阴极位降区和等离子体的正柱区 ! ! ! $" 空气放电实验 实验表明空气中实现大气压下辉光放电的难度 很大 ! 当空气间隙为 /%% 时， 以肉眼观察， 间隙中放 电是均匀的， 我们称之为似辉光放电， 如图 & 所示 ! 增大空气间隙长度， 间隙中开始出现放电细丝 ! 当空 气间隙为 1%% 时， 放电已经是明显的丝状 （流注） 放 电， 如图 0 所示 ! 此时， 将放电时空气间隙上外加电 压的峰值 ! >， %:+ 除以间隙长度 " 所得到的平均电场 ・$% 7 " ， 大大高于氦气中放电的平均场 约为 &0?1,6 强 ! 因此， 当 #" 逐渐增大时， 必然出现流注放电 !
大气压介质阻挡放电 德拜长度量级
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大气压辉光放电的数值模拟方法研究的开题报告
大气压辉光放电的数值模拟方法研究的开题报告一、研究背景和意义大气压下放电现象是自然界中广泛存在的一种物理现象，也是许多工业应用中重要的电气问题，如等离子体技术、气体放电技术、空气净化技术等。
在放电过程中，气体的物理特性会发生明显的改变，如电学性质、化学性质以及热力学性质。
因此，对于大气压放电现象的深入研究不仅有助于加深对自然现象的理解，还可以为电力工程、气体分离和净化等领域提供重要的理论和技术支撑。
二、研究内容和方法本文拟采用数值模拟方法，研究大气压下的放电现象。
具体研究内容和方法如下：1.建立大气压下放电的数学模型。
通过分析大气压下放电的物理过程和接触电学原理，结合导电介质的宏观物理特性，建立大气压下放电的数学模型。
该模型将考虑材料特性、注入电流状态等因素，并用于计算电场、电子、离子和中性分子的物理参数，以便得到精确的结果。
2.选用合适的数值方法对模型进行数值求解。
本文将采用有限元方法对数学模型进行数值求解。
通过离散化数学模型，求解出相应的电场、电流、电子和离子的分布情况。
3.开发自适应网格技术和并行计算技术。
采用自适应网格技术和并行计算技术，可以更准确地模拟高强度放电的过程，并提高计算效率。
4.验证模型的精度和可靠性。
使用实验数据进行模拟验证，检验模型的可靠性和精度。
通过与实验数据对比，确定模型中存在的问题并对模型进行修正。
三、预期成果和意义本研究将建立大气压下放电的数学模型，并采用数值模拟方法进行求解。
通过对模型进行验证，可以验证模型的精度和可靠性，为理解大气压下放电现象提供更为准确的理论基础。
此外，本研究所开发的自适应网格技术和并行计算技术，将有助于提高数值求解的效率和准确度，同时具有实际应用价值。
四、研究进展和计划目前已经完成了大气压下放电的数学模型的建立和相关物理过程的探讨，初步确定了数值求解方法。
接下来计划进行有限元数值实验，并通过实验数据验证模型的有效性。
未来还将研究自适应网格技术和并行计算技术，以提高计算效率。
大气压下不同气体中介质阻挡放电的实验与仿真研究
大气压下不同气体中介质阻挡放电的实验与仿真研究介绍大气压下不同气体中介质阻挡放电是一个重要的研究领域，它在电学、物理学和工程学等多个领域中具有广泛的应用。
本文将通过实验与仿真研究的方式，探讨不同气体中介质对放电现象的阻挡效应，并分析其机理与应用。
实验设备与方法实验设备1.气体绝缘试验箱2.放电电极3.介质故障放电监测系统实验步骤1.在气体绝缘试验箱中设置放电电极，并选择不同的介质2.调节气体压力，确保在大气压下进行实验3.使用介质故障放电监测系统，记录放电现象，并对其进行分析与比较仿真研究方法1.借助电磁场有限元仿真软件，建立模型2.设置不同的气体介质，并模拟大气压下的放电现象3.分析仿真结果，并与实验数据进行对比和验证实验结果与讨论不同介质的放电现象比较通过实验记录和仿真研究，我们对不同气体介质的放电现象进行了比较。
以下是比较的主要结果：1. 氮气•放电现象：氮气下的放电现象较为弱化，放电电流较小•机理分析：氮气中分子稳定，不易形成电离层，阻碍了放电的传导•应用前景：氮气可作为绝缘介质，用于电气设备的绝缘保护2. 氧气•放电现象：氧气下的放电现象较为明显，放电电流较大•机理分析：氧气中分子较活跃，易形成电离层，促进电流传导•应用前景：氧气下的放电现象可用于氧气传感器等设备中的电气检测3. 二氧化碳•放电现象：二氧化碳下的放电现象较为稳定，放电电流适中•机理分析：二氧化碳中分子较稳定，形成电离层的速度适中•应用前景：二氧化碳可作为一种常见的绝缘介质，在电气设备中具有广泛应用仿真结果与实验数据的对比通过将仿真结果与实验数据进行对比，我们发现两者存在一定的一致性。
然而，由于实验条件和仿真模型的差异，造成数据上的差异是不可避免的。
因此，我们需要结合实验和仿真结果来得出更准确、可靠的结论。
机理分析与应用前景放电的机理分析放电现象的产生涉及复杂的物理和化学机理。
其中，气体中分子的电离和电子的运动是关键因素。
大气压放电等离子体柱的光谱研究
氮 ［ 、 成 臭 氧 用 于 处 理 工 业 和 生 活 废 水 ｌ ；在 生 物 医 疗 领 ６ 生 ］ ７
低气压条件下产生等离子体 。 从 用角度 讲在大气 下产 乍 等离子体柱无疑具有重要意义 。 大气压 下户 牛 的等离 子体 但 ： 长度一般 只有 几个厘米 。 例如 Ｈｏ ｇ等 把牵气通 人多孔 氧化 ｎ 铝介质装置 ， 这种方 法产 乍 的等离 子休 喷枪 的垌 长为 ２ 用 ３ ｍｎ１ 。Ｉ 利用等离 子体针 存空 气 Ｌ 产生 ｒ ｆ ３ １ 』 ｉ ｝ １ 约 ５ｍｍ 的 等离子体ｌ Ｉ 。所报告的等离子体 长度很短 ， 为等离子 体天 作 线而 言， 生长度更大 的大气压 等离子体 具有 霞婴 意 义。对 产 此 ，采用 轴 Ｄ Ｄ装 置在氯气 中产生 长达儿 卜 Ｂ 厘米的 等离 子体柱 ， 利用 光学方法对放 电机理进行 Ｊ研究 ，利用 光谱 并 ， 学方法对 电子能量随着实验参数的变化关系进 行了分析 。
第３卷 ， ７ ２ 第 期 ２０ １２年 ７月
光
谱
学 ｉ 光
谱
分
析
Ｖｏ． ２ Ｎ ． ， ｐ ７ ８ １ ６ １３ ， ｏ ７ ｐ １ ５ ７ １
Ｓ ｅ ｔ ｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ ｌ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔ ａ ａｙ ｉ Ａｎ ｌ ｓｓ
隙 为 ３ｍｍ。
特性 ，当放电装 置连通 电源 时就 成为 导体 ， 能发射 和接 收无 线 电磁波信 完成和 自身基地的通讯 ；当断开电源时便成 为 绝缘体 ，不反射敌 雷 达探测信号 。
解释气压较高,距离较长间隙中的气体放电
解释气压较高,距离较长间隙中的气体放电气压较高和距离较长间隙中的气体放电是一种常见的物理现象。
在理解这个现象之前，我们先来了解一下什么是气体放电。
气体放电是指在气体介质中，当电场强度超过一定阈值时，气体中的电子会获得足够的能量从而脱离原子或分子，形成电子云。
这个过程也称为电离。
当电场的作用力大于气体中电子的恢复力时，电子云就会向阳极移动，形成电流，这就是气体放电现象。
气体放电可以分为不同的类型，如正常放电、辉光放电和电弧放电。
而较高的气压和较长的间隙是影响气体放电的两个重要因素。
首先，气压对气体放电有着显著的影响。
当气体的压力增加时，气体分子之间的平均自由程减小，也就是分子之间的平均距离变小。
这意味着在相同的电场下，气体分子的碰撞频率增加，从而增加了气体分子被电场加速的机会。
因此，在较高的气压下，气体放电更容易发生。
其次，间隙的长度也对气体放电有着明显的影响。
间隙是指两个导体之间的距离，其中一个导体通常是带电的。
当间隙越长时，通常需要更高的电压才能在两个导体之间产生电弧或放电。
这是由于间隙的增加导致电场的均匀性变差，电场强度的分布不均匀，需要更高的电压来克服这种不均匀性并使放电发生。
当气压较高且间隙较长时，气体放电的机制和特性也会发生一些变化。
一方面，在较高的气压下，气体分子之间的碰撞频率增加，电离的机会增多。
这意味着相同电场下，气体分子更容易被电场加速，电离形成电子云。
另一方面，在较长的间隙中，电场会受到间隙长度的影响。
当间隙较长时，电场的强度分布不均匀，表现为电压梯度较大的区域与较小的区域之间的不连续性。
这种不均匀的电场分布会导致电离的不均匀性，从而影响气体放电发生的形式和特性。
在实际应用中，气体放电在许多领域得到了广泛的应用。
例如，气体放电用于气体放电管、气体激光器、放电手术刀、电力系统故障检测以及医疗和科学研究中的等离子体研究等。
了解气体放电在不同气压和间隙条件下的特性，对于合理设计和优化相关设备和系统具有重要意义。
气体放电
2.4大气压下辉光放电（APGDs）上文提到，辉光放电可以放生在很长的气压范围内。
典型的气压范围约为100Pa，在更高的气压（甚至大气压）下，辉光放电也会发生，但是比较容易导致气体或者电极过热或产生电弧。
根据经典论的相似性，如果保持乘积pd为常数，当d减小时就可以增大气压p。
因此，小型化的放电设备就能在大气压下（甚至更高气压）产生辉光放电。
在Schoenbach 等、Stark以及Schoenbach的著作中，提出了大气压下空心阴极微小放电现象。
空心阴极大的直径大约100-200μm。
在Czerfalvi等和Mezei等的著作中，用电解质做阴极实现了在大气中大气压下小的放电。
在Eijkel等的著作中，提出了大气压下在一个微芯片中氦的直流辉光放电从而实现了具有分子发射探测器的气相色谱法（例如对甲烷、氦气等）。
典型的维度是长度是1-2mm，宽度和高度为几百μm，使得这成为典型的等离子体存在的体积50-180nl。
另外，Blades等以及Sturgeon和其同事的分析应用著作中，大气压下电容耦合射频放电已经有了很多的应用，近期罗马尼亚的一个科研小组也对此发表了文章。
除了能减小放电的空间尺度外，在技术应用中的大气压下稳定放电（APGDs）在其他能满足的条件下也可以进行，比如电极、介质气体和所加电压的频率。
典型的APGDs是在至少一个电极上加上介质，然后在交流电压下进行。
例如，氦能够引起稳定的均匀辉光放电，而氧和氩气容易引起到从辉光放电到丝状放电的过渡。
然而，通过改变电极的结构也能使它们完成均匀辉光放电。
图5图5所示为典型的应用到等离子体聚合的APGD的示意图。
辉光放电产生于两平行板电极间，极板表面覆盖了电介质（例如氧化铝）。
放电中包含等离子体中特殊单体聚合体和作为介质气体的氦气的气体流。
所加电压是20kV，频率是1-30kHz。
极板间距典型值是几个毫米。
APGDs的最大优点是非真空，这就大大降低了成本和辉光放电的操作复杂程度。
大气压脉冲气体放电与等离子体应用
大气压脉冲气体放电技术是一种新型的非平衡等离子体产生技术，它具有放电电压低、电流大、等离子体密度高、反应性强等优点，在等离子体表面处理、薄膜沉积、环境治理等领域具有广泛的应用前景。
一、大气压脉冲气体放电技术原理大气压脉冲气体放电技术的基本原理是利用高压脉冲电源在常压或接近常压的条件下，使气体发生放电，产生等离子体。
当高压脉冲电源加在两电极之间时，气体分子被电离，产生自由电子和正离子。
在电场的作用下，自由电子加速并撞击气体分子，产生更多的自由电子和正离子，从而形成雪崩效应。
当自由电子的密度达到一定程度时，气体发生放电，产生等离子体。
二、大气压脉冲气体放电技术的特点大气压脉冲气体放电技术具有以下特点：（1）放电电压低：大气压脉冲气体放电技术的放电电压一般在几千伏到几十千伏之间，远低于传统的真空放电技术。
（2）电流大：大气压脉冲气体放电技术的电流可以达到几安培甚至几十安培，远高于传统的真空放电技术。
（3）等离子体密度高：大气压脉冲气体放电技术的等离子体密度可以达到1011-1012 cm^-3，远高于传统的真空放电技术。
（4）反应性强：大气压脉冲气体放电技术产生的等离子体具有很强的反应性，可以与各种气体和固体发生化学反应。
三、大气压脉冲气体放电技术的应用大气压脉冲气体放电技术在等离子体表面处理、薄膜沉积、环境治理等领域具有广泛的应用前景。
（1）等离子体表面处理：大气压脉冲气体放电技术可以对各种材料的表面进行处理，提高材料的表面活性、润湿性、粘合性等性能。
（2）薄膜沉积：大气压脉冲气体放电技术可以沉积各种薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
（3）环境治理：大气压脉冲气体放电技术可以用于处理各种污染物，如挥发性有机物、氮氧化物、硫氧化物等。
四、大气压脉冲气体放电技术的发展前景大气压脉冲气体放电技术是一项新兴技术，具有广阔的发展前景。
随着技术的不断进步，大气压脉冲气体放电技术将在更多的领域得到应用，对国民经济和社会发展产生重大影响。
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αd αd z 电场强弱不同：流注：
~20；汤逊：
~3
z 空间电荷效应强弱
z 电场不均匀性
z 雪崩发展（击穿速度或 time lag）：
汤逊击穿---依赖离子轰击阴极产生二次电子； 电子倍增速度与离子的电迁移速度有关：10-5 cm/s 流注击穿---光电离，电子倍增速度与光传播速度有关:108cm/s.
相同点：两者均由电子雪崩形成 7． 大面积大气压均匀放电的技术方法
(1) 大面积均匀放电的基本条件 （a）均匀的汤逊击穿; (b) 均匀击穿后的均匀放电维持： 不产生glow to arc(GTA)的transition.
（2）均匀的汤逊击穿的实现方法 （a）降低击穿电压
z 选用击穿电压低的气体：He,Ne,Ar z 减小放电间隙
Arc region
放电电压、电流随时间的变化
DC 放电 V—I 曲线
实验结果：放电模式转化时间 T(Glow to Arc)随气压的变化
问题 1：放电在何处易于收缩？ 问题 2：如何抑制 glow to arc 的 transition?
3
问题 3: Arc filament 放电均由 glow 放电转化产生？ 6． 大气压击穿模式 （1）预备概念： （a）电子雪崩----击穿放电的基础模型 从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定 动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子 作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子， 这时空间已存在四个自由电子。这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同发生雪崩一 样。 电子崩具显圆锥形，电子集中在崩头，尾部为正离 （b）光电离
大气压放电 1． 必要性和优点
（a） 无需真空室 （b） 可批量处理，生产效率高 （c） 投入运行成本 2． 大气压放电的模式
3．放电模式随气压的变化
放 电 电 流
辉光放电区
电弧放电 电晕放电
放电功率
1
4． 大气辉光放电的优点 同电晕比较：放电强，处理速度快 同电弧比较：放电均匀，处理均匀 放电效率高：例：在空气中维持 1 个 ion-electron 对 glow 需 81eV, Arc 需要 10,000 eV per。
(3)阻止或延迟glow to arc transition(GAT)的方法 (a)限流电阻（分立或阻性阴极） (b)降低阴极电位
z 等离子体阴极
8
发展: 微空心阴极
z 空心阴极 z 等离子体阴极（详细内容）
放电I-V特性
空心阴极结构
I-V特性曲线
Hale Waihona Puke 第二阳极电压保持不变，空心阴极电压随电流的变化
电子、离子复合过程会以光子的形式释放能量，产生能量，产生光辐射光辐射。这种光辐 射在一定条件下。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二有 可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）
(2)汤逊击穿 ●α过程： 电子在运动中碰撞电离： 电子在运动中碰撞电离： α是一个电子是一个电子沿电场方向运 动沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数。 ●γ过程： 正离子轰击阴极产生表面电离： 正离子轰击阴极产生表面电离： γ是一个一个正离子从阴 极轰击出的自由电子个数正离子从阴极轰击出的自由电子个数。 ●击穿击穿过程： 上述两个过程交替重复进行，自由电上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多， 最终导致击穿 ●汤逊放电的自持条件： 离子轰击产生一个电子、电力电离产生一个电子，到达阳极损失一个电子。
(b)采用预电离
7
非均匀流光放电区 均匀辉光放电区 预 电 离 密 度 （ cm-3）
(C)放电频率（射频） 射频辉光放电
(d)快脉冲放电
阳极
预电离密度增加Æ电子密度增加Æ电子雪崩密 度增加Æ电子雪崩重叠Æ均匀放电
阴极
快 脉 冲 ：电 压 上 升 快 Æ 电 子 离 阴 极 近 Æ 电 子 雪 崩 半径大Æ电子雪崩可以重叠Æ均匀放电
z 电子雪崩对空间电场的影响
z 电子雪崩的发展
5
发展方向：anode-directed,or cathode—directed 与具体条件有关
发展速度：极快（光子电离） 最终结果：形成连接阴极、阳极的局部放电通道（10-2-10-1cm）→→streamer Streamer Branch(原因: stream too large ÆÆ break up in parts due to electrostatic repulsion) (5)汤逊、流注击穿的不同
高气压，大间距条件下不成立---->流注击穿理论
αd z 低电场条件：
小
z 空间电荷效应弱(仅考虑外电场的加速)
z 没有电场的不均匀性
z 结果：放电击穿速度慢，time lag 10-5 s
z 暗放电、电晕、辉光(弱放电，空间电荷的电场低于外部电场)
(4)流注击穿
z 击穿仍然由电子雪崩过程解释（电子雪崩示意图如下图）
5． 大气压辉光放电的困难 （1）辉光放电区域随气压减小 （2）大气压放电中的热不稳定性（正反馈效应）
正反馈效应：放电局部增→局部气体加热增强→气体温度增加→局部气体密度降低，折合 电场强度（E/n）增加,电子能谱向高能区增加 实验例子：[高气压，负高压（充电电容）]
2
●放电电流和电压
Glow region
阴极
V p>电0 子？流
直流电源
γ (eαd − 1) = 1
γ γ ------ =0.1-0.01。 实际上 包括光电离、潘宁电离
4
γ (eαd
-------非自持放电：
− 1)
<1
(3)汤逊击穿理论适用条件
z 低pd区：pd 小于4000 torr cm ，P: 0.01 to 300 torr。
是电子迁移速度的10倍。
z 二次电子: 汤逊---离子轰击阴极；流注----光电离
z 电子雪崩数量：汤逊---许多；流注--- 一个or几个
6
z 放电通道：汤逊---在整个电极区，放电均匀
流注--- 一个or几个通道，放电不均匀
汤逊放电的电子雪崩示意图 多个同时在纵向、横向均匀发展，不同雪崩
overlap, 形成均匀的击穿通道。