不同气压下氦气介质阻挡辉光放电的特性研究
压强与气体辉光放电关系演示仪的设计
压强与气体辉光放电关系演示仪的设计一、引言气体辉光放电是一种非常重要的物理现象，广泛应用于荧光灯、气体放电管等电器设备中。
在气体中加入一定的压强，可以改变辉光放电的特性，例如增加放电电流、改变放电颜色等。
因此，研究气体的压强与辉光放电之间的关系对于理解和应用辉光放电具有重要意义。
本文将设计一款压强与气体辉光放电关系演示仪，通过调节气体的压强来观察辉光放电的特性变化，从而直观地展示压强对辉光放电的影响。
二、设计思路1.实验原理气体辉光放电是指在气体中产生的一种放电现象，通过加高电压使气体产生电场，并在电场强到一定程度时发生击穿，形成辉光放电。
气体的压强会影响电场的强度，从而影响击穿电压和放电电流的大小。
一般来说，压强越大，放电电流越大，放电颜色也可能发生变化。
2.设计方案设计一款压强与气体辉光放电关系演示仪，主要由以下部分组成：-气体供应系统：提供不同压强的气体供给。
-放电系统：通过高压电源形成电场，产生辉光放电。
-观察系统：观察放电的特性，如颜色、亮度等。
-控制系统：控制气体压强、电压大小等参数。
具体设计方案将在下文中详细描述。
三、设备构成1.气体供应系统气体供应系统主要由气体罐、气阀和气体管道组成。
通过打开气阀，可以调节气体罐中气体的流量和压强。
在实验中可以使用氦气、氖气等易于产生辉光放电的气体。
2.放电系统放电系统主要包括高压电源、电极和放电室。
高压电源通过电极施加高压电场，产生辉光放电。
电极可采用导电材料制成，放电室通常由透明材料制成以便观察。
3.观察系统观察系统主要包括光学镜头、CCD摄像头和显示屏。
通过CCD摄像头捕捉放电的图像，并显示在显示屏上，观察和记录放电的特性。
4.控制系统控制系统包括压力控制装置、电压调节装置和数据采集系统。
通过压力控制装置可以调节气体压强，通过电压调节装置可以控制高压电源的输出电压。
数据采集系统可以实时采集和记录放电的参数，如电流、电压、压强等。
四、实验步骤1.将气体罐与气体供应系统连接好，打开气阀调节气体流量和压强。
一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究_江南
是一个共面的沿面 放 电 结 构， 但是电极间距比传统 的沿面放电大得多 . 我 们 首 先 对 放 电 的 基 本 情 况 进 行了一些测试 . 图 2 是对应于小 、 中、 大三个不同电压条件下放 电所拍摄的典型的 数 码 照 片 . 为 了 更 好 地 观 察 放 电 辉光的情况， 我们采 用 了 2 cm 宽 的 电 极， 电极间距 高 压 电 极 置 于 气 流 的 下 游， 电极边缘距 仍为 3 cm ， 石英管出口 1 cm ，He 气 流 量 150 L / h 从 图 的 右 边 流入左 边 流 出， 各照片对应的外加电压在图注中 给出 .
的 电 极 参 数 一 致：电 极 宽 度 5 cm ， 电极间距 3
3. 实验结果与讨论
3. 1. 共轴型 DBD 放电的特点 DBD 主要分为两种 类 型， 即空间放电型和沿面 放电型 . 这 两 种 类 型 的 放 电 都 已 获 得 了 广 泛 的 研 20 ］ . 将图 1 所 究， 其中典型 的 例 子 可 以 参 考 文 献［ 示的共轴 DBD 结构沿圆周展开成平面， 则可以看作
第 59 卷 第 5 期 2010 年 5 月 10003290 /2010 /59 （ 05 ） /332407
物
理
学
报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 59 ， No. 5 ， May ， 2010 2010 Chin. Phys. Soc.
一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究
［ 15 ］ 4） ， 而 Kedzierski 等 沿轴 向 拍 摄 的 射 流 的 照 片 有
一与石英管 内 壁 对 应 的 环 形 亮 圈 . 另 一 方 面， 由介 质表面电 荷 组 成 的 等 离 子 体 的 阻 抗 比 气 体 等 离 子 因此其 流 注 的 传 输 速 度 比 空 气 中 流 注 体的阻抗大， 的速度小 . 由图 3 （ a ） 中的数据可以估算石英管中的
气体放电——精选推荐
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。
辉光放电等离子体对气压变化的响应特性
2016年12月电工技术学报Vol.31 No. 24 第31卷第24期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Dec. 2016辉光放电等离子体对气压变化的响应特性李帆1,2焦俊凯3罗海云3王偲臣2林峰2（1. 中国科学院大学物理学院北京 1000492. 中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京 1001903. 清华大学电机系气体放电与等离子体实验室北京 100084）摘要当代气体动力学研究经常需要测量超高频流动现象，而目前使用的测量技术手段频响存在瓶颈。
基于辉光放电等离子体原理测量气压的方法，频响由驱动电源载波频率决定，有望突破此瓶颈，进而捕捉更细致精确的非定常流动信息。
在进行高频、超高频交流驱动实验之前，首先需要研究稳态气压对辉光放电等离子体的影响，即在直流驱动不同电极间隙条件下辉光放电具有的不同放电模式，以及该放电模式下辉光放电的维持电压对较宽范围不同稳态气压（0.5～1.0atm）的响应规律。
实验结果表明：间隙50μm电流控制在3～4.5mA范围，探针工作在反常辉光放电模式，电压随着气压增大而单调变小；间隙250μm电流控制在2～3.5mA范围，探针工作在亚正常辉光放电模式，电压随着气压增大而单调增大；间隙190μm时探针电压几乎不随气压变化。
关键词：辉光放电等离子体稳态气压放电模式响应规律中图分类号：TO531；TM213Response Regularity Between Glow Discharge Plasma andStatic Pressure ChangeLi Fan1,2 Jiao Junkai3 Luo Haiyun3 Wang Sichen2 Lin Feng2（1. School of Physics University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China2. Key Laboratory of Advanced Energy and Power Institute of Engineering ThermophysicsChinese Academy of Sciences Beijing 100190 China3. Gas Discharge and Plasma Laboratory Department of Electrical EngineeringTsinghua University Beijing 100084 China）Abstract The frequency response of traditional measurement instruments cannot break through MHz level. In order to investigate more complicate unsteady flow, the new theory needs to be developed, where the field of glow discharge (GD) has the potential to obtain ultra-high frequency response. Before the high-frequency AC drive experiment, the coupling relationship of GD plasma and air pressure was analyzed. Thus, a direct voltage was applied to the electrodes in the experiment, to explore the response regularity between discharge voltage and a wide range of static pressure (0.5～1.0 atmosphere pressure). The results demonstrate that for a spacing of 50μm with the current increasing from 3mA to 4.5mA, the calibrated curves between discharge voltage and pressure decrease monotonically, working in the “abnormal” GD regime. On the contrary, the calibrated curves for a spacing of 250μm with the current increasing from 2mA to 3.5mA, increase monotonically, working in the “sub-normal” GD regime.Keywords：Glow discharge, plasma, static pressure, discharge model, response regularity国家自然科学基金资助项目（51176188、51406201）。
高气压下的辉光放电
• 高速照相机拍照 • 利用空间光强分布 2、电学特性 • 利用电压—电流曲线 • 利用Lissajous图
五、参数诊断
• 朗缪尔探针
• 微波干涉 • 光谱法 • Thomson散射法
谢谢！
两个不稳定性
• 电子的不稳定性:
它通常会在APGD的阴极位降区域出现，伴随着比较强烈 的电场波动。强烈的电场波动容易造成电子崩的急剧发展， 从而引起放电向电弧转化。通过使用大的镇流电阻，这种 电场的波动能够极大的削弱。
• 热不稳定性：
发电的过程总是伴随着电极及等离子体本身的发热。
彭宁效应
• 亚稳原子有很长的平均寿命（10-3秒或更长）。在混合气 体中,当一种气体的亚稳原子同另一种气体的原子或分子 碰撞时，即使它们的动能较低，只要前者的激发能大于后 者的电离能，后者将被电离，前者则返回基态。多余的能 量就转变为电子的动能，或使离子激发。这种过程称彭宁 电离或称彭宁效应。由于惰性气体的亚稳原子有较大的激 发能，在含有惰性气体的混合气体放电中，彭宁电离比较 有效。彭宁效应可以使放电管的点火电压降低
Thomson散射法
带电粒子在电磁波电场下振荡，形成以电 子振荡为主的散射波，散射波中包含了电 子温度和等离子密度等信息。但在大气压 条件下，中性粒子对激光散射不可忽略， 无法使用
4|、从图中可 以看到辉光放 电典型的分层 现象，例如靠 近阴极的法拉 第暗区。
APGD优越性
• 低中气压下辉光放电条件要求苛刻，等离 子体能量较低 • 同其它放电形式的比较 电晕放电：产生活性粒子效率低，不均匀 电弧放电：能量密度太高 DBD放电：持续时间段，电流密度大 APGD： 均匀性好，能量效率高，不需要真空系统
产生均匀大气压辉光放电等离子体的工作 频率的关系为：
辉光放电
低温等离子体什么是低温等离子体低温等离子体的产生方法低温等离子体的应用领域什么是低温等离子体？冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。
随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。
那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。
我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体(plasma)。
因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。
反过来，我们可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。
从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。
据印度天体物理学家沙哈(M·Saha，1893-1956)的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。
而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。
此外，对于自然界中的等离子体，我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。
在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。
在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值，其密度为106（单位：个／m3）的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。
其温度分布范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108-109K （1-10亿度）。
温度轴的单位eV(electron volt)是等离子体领域中常用的温度单位，1eV=11600K。
通常，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团)等三种粒子。
不同气压下氩气介质阻挡放电γ过程仿真
不同气压下氩气介质阻挡放电γ过程仿真李平;徐俊生;陈兆权【摘要】为了研究在氩气不同气压下对介质阻挡放电(DBD)的电气参数和放电特性的影响,利用有限元分析建立大气压下氩气中的二维轴对称板-板电极放电等离子体模型,并对放电过程进行求解,通过仿真得到放电过程中的电势、电子温度、电子密度及氩离子数密度随着空间位置变化的波形.仿真结果表明,介质阻挡放电的特性变化与放电环境气压变化有关,随着气压的增加,气压在一定范围内,电势、电子温度、电子密度都下降,且电势空间分布的变化与电子密度相关.【期刊名称】《安徽理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】5页(P21-25)【关键词】介质阻挡放电;放电特性;有限元分析;等离子体模型【作者】李平;徐俊生;陈兆权【作者单位】安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 232001;西安交通大学电气工程学院,陕西西安 710049;安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001;安徽工业大学电气与信息工程学院,安徽马鞍山 243002【正文语种】中文【中图分类】TM85介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是一种非平衡态气体放电[1-2]，在常温常压下，是产生大面积、高能量密度的低温非平衡等离子体有效方法之一[3]。
DBD放电产生的等离子体活跃且具有丰富的物理化学性能、并富含大量的高活性粒子[4-5]，可在辅助燃烧、材料改性、废气处理和生物医学等领域[6-8]得到大规模应用。
近年来，DBD放电等离子体相关研究，是高电压新技术方面的研究热点之一[9]。
目前，实验仍是研究气体放电过程的重要方法，但受外部条件的制约，实验难以测量放电内部的局部电场、电子能量分布等放电参数[10-12]；而采用仿真模型放电研究方法，可以有效地克服这些局限性[13]。
国内外研究人员对不同的电极结构形式如板-板、针-板、线-筒和线-板等，建立仿真放电模型[14-16]，研究放电电压、介质以及频率等不同条件下，对能量传递、电子密度，温度等放电特性的影响，取得了可喜进展[17]。
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图 3 5.0 ×104 Pa 下接近丝状放电时电压电流波形
从图中可以看到，放电电压幅值随着每周期内 放电能量的大而增大，并逐渐接近正弦波，其
放电起始电压 us 、接近丝状放电时的电压值 u f 分别为 us =1080V，u f =1640V；峰值电流
有所增加，但电流波形变化不大，辉光覆盖极
板时刻电流峰值 is 和临界丝状放电时刻电流 峰值 if 分别为 is =102.5mA ， if =126.4mA。
压 5.0×104 Pa 时 B 时刻和接近丝状放电时的
辉光放电电压电流波形曲线。
图 4 5.0 ×104 Pa 下丝状放电电流波形
图 2 5.0 ×104 Pa 下 B 时刻时电压电流波形
和起始放电电压一样，在电极板间隙和介质 的材料厚度一定时，平板电极被完全覆盖形成 稳定辉光放电时的电压在同一气压下并不随 放电电源外电路参数改变（改变逆变电路占空 比和调压器电压）而发生变化，它只随着气压 升高而增大，如图 5 所示，其变化趋势也与起 始放电电压趋于一致。
的电流峰值不断上升，其变化规律如图 6 所
示，在 6.0 ×104 Pa 时，电流峰值可达到 53mA。 在 6.0 ×104 Pa 以上情况，需要调低电源脉宽
以限制辉光放电向丝状放电转化。由以上现象
可以得出，辉光放电等离子体吸收的功率
∫uidt
P=
也随着气压升高而增大，且稳定辉
T
光放电功率 Pw 的范围需满足 Pf ≤ Pw ≤ Ps ，其
在介质阻挡辉光放电中，放电的每半个周期都 产生一个尖峰电流值，这与如图 4 所示的丝状 放电电流波形有很大不同，后者在每半个周期 内，放电电流由多个微放电组成[2]。
ＫＶ３ ２．５
２ １．５
１ ０．５
０ ０
５０
１００
பைடு நூலகம்
Ａ时刻电压
Ｂ时刻电压
ＫＰａ １５０
图 5 A 、B 时刻电压随气压变化关系曲线
随着气压由低到高，辉光覆盖电极板时刻
需要与之相匹配，所以可以通过调节电源逆变 脉宽来调节功率输出，以维持稳定的辉光放 电。利用这一推论本文实现了氦气中一个大气 压下的稳定辉光放电。其放电区域均匀分布与 两极板间，电流波型每半周期有一个尖峰脉冲 [3]。辉光放电照片如图 7 所示。
一 引言
辉光放电等离子体低温等离子体中存在 着大量的种类繁多的活性粒子，在医疗灭菌、 表面改性，等离子体显示等领域都有许多重要 的应用，有着很好的应用前景。目前，在实际 工业生产中，广泛使用的是低气压辉光放电等 离子体，但这种方式的真空系统所需的投资和 运行费用较高。大气压下的辉光放电可以克服 以上的不足，可以在较低成本下实现流水线生 产，有着更高的经济效益。
利用上述装置，先将系统气压抽至10−2 ， 然后通入纯氦气体（ ≥ 99.99% ），以此来改
变放电的压力环境，分别在不同的气压下，通 过增大或减小电源逆变环节输出脉宽和调压 器电压的方式来控制单位周期的注入能量，直 至实现稳定的辉光放电，观察相应的等离子体 放电的电压电流波形变化，并用 langmiuor 探 针法对等离子体参数进行测量。
中 Pf 为 B 时 刻 放 电 状 态 的
ｍＡ１２０
１００ ８０ ６０ ４０ ２０ ０
０
ＫＰａ ２０ ４０ ６０ ８０
图 6 B 时刻电流峰值随气压变化曲线
放电吸收功率， Ps 为接近丝状放电时刻 （ 设 稳 定 辉 光 放 电 电 压 uw 需 满 足 u f ≤ uw ≤ us 范围，实验电源调压器电压有关
常压下，尤其是空气中的辉光放电非常难 以产生，长期以来一直是研究的难点。1988 年，日本的 Kanada 在惰性气体中实现了大气 压下的辉光放电，之后法国、美国等研究小组 也对大气压下的均匀辉光放电进行了实验研 究，在某些方面取得了很大进展。但人们对大 气压下辉光放电的产生机理仍不十分清楚，有 待进一步研究[1]。
放电腔体 A B
隔直电容 D
C
电源
图 1 大气压下辉光放电实验装置原理图 A 送气系统 B 抽真空系统 C 流量计 D 真空计
实验选用电源为自制的高频高压电源， 220V 市电 通过调压器经 Boost 电路和逆变电 路输出到高频变压器，变压器副边接平板放电 电极。输出频率为 20KHz~50KHz 可调，输出 空载电压最高可达 2.5KV 功能，最大输出功 率 1000W。
本文选取了普遍认为容易产生辉光放电的 氦气作为反应气体，通以频率可变的高频高压 电源，在大气压下产生了介质阻挡辉光放电。 并测量了等离子体的电子温度、电子密度。
二 实验装置和实验过程
大气压下辉光放电实验装置图如图 1 所 示，放电腔体为一圆柱形不锈钢容器，采用了 单端介质阻挡电极结构，电极是直径为 6cm 的平行板电极，其中一个电极上覆盖厚度为 1mm，直径 9cm 的聚四氟乙烯介质，两电极 板间距 3mm。
三 不同气压下等离子体的电参数比较
在氦气中，保持一定的电源频率（数十千 赫兹）和电源电压，通过调节电源脉冲宽度来 控制每周期内电源注入的能量，则随着脉宽的 不断扩大，极板间先出现起始辉光放电（设为 A 时刻），再到辉光覆盖整个电极板平面（设
为 B 时刻），发光强度不断增强，直到出现丝 状放电（设为 C 时刻）。图 2 和图 3 分别为气
不同气压下氦气介质阻挡辉光放电的特性研究
李成柳 刘文正 刘星 严伟 （北京交通大学 电气工程学院，北京 100044）
[摘要]大气压下辉光放电（ＡＰＧＤ）在空气净化中有良好的应用前景。本文选取了大气压下普遍认 为较易产生辉光放电的氦气作为反应气体，分别在不同气压（数百帕直至大气压）下，将其以 一定的流速通过覆有介质材料的两平板电极之间，利用频率可变的高频电源，产生了介质阻挡 辉光放电。采用日本 Ｋａｎｄｏ小组提出的修正的朗缪尔探针法，测得了等离子体的电子温度和电 子密度。通过对不同气压下的放电电压和电流及等离子体参数的比较，讨论了压强变化对于氦 气环境下稳定辉光放电的影响。为进一步研究大气压下辉光放电的机理，实现大气压下空气环 境中稳定的辉光放电提供了重要参考。 [关键词] 大气压辉光放电 介质阻挡 ｌａｎｇｍｕｉｒ探针法 放电特性