大气压空气中获取环状均匀等离子体的实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于等离子体技术领域。特别是涉及一种利用双极性纳秒脉冲电源驱动，使用环状管式电极结构，在大气压空气中获得均匀环状介质阻挡表面放电的低温等离子体技术。
【背景技术】
[0002]表面放电，尤其是表面介质阻挡放电，具有广泛的应用，如气流控制器，臭氧发生器，表面处理，以及污染物处理等。一般来说，表面介质阻挡放电具有平板式“三明治”结构，即介质板夹在两个电极之间，且不存在放电间隙。然而，这种平板式放电结构产生的等离子体通常覆盖在介质板表面，没有固定的边界，很难将产生的等离子体限制在一定空间内。这使其在应用上，尤其是气态污染物的处理上，具有相当的困难。管式结构可以限制等离子体的产生范围，因此广泛地利用于气体污染物处理等领域，然而，传统的线-管式结构又受到正负电极间隙的限制，导致管式结构的体积不能过大。在环式结构中，正负电极紧贴于介质管的两壁，既能产生表面放电，又不会受到电极间隙的限制，具有广泛的应用前景，尤其在气态污染物的处理等方面。
[0003]表面放电的激励方式通常有纳秒脉冲电源和传统的正弦交流电源。在正弦交流电源驱动下，介质阻挡放电结构很难在大气压空气中产生均匀而弥散的等离子体，且极易使放电转化为弧光、火花等模式。工作气体中的离子和中性粒子在连续的交流电场下获得能量，热运动加剧，导致等离子体的气体温度升高，对于待处理材料和放电装置本身都会产生一定的损害。同时，交流电源激励产生等离子体的装置还具有能量利用率低、运行成本高等缺点，严重限制了其在工业生产中的应用。纳秒脉冲电源在同样条件下可以产生气体温度接近室温的等离子体，并且具有很高的能量利用率。这是由于脉冲电压具有陡峭的上升沿和较短的脉冲持续时间，使得电子在快速上升的电场中获得较大程度的加速，而质量较大迀移率较低的离子和中性粒子则很难在极短的时间内获得能量，热运动程度几乎不变。同时，高能电子会与工作气体中的其它粒子发生碰撞、激发、电离，产生大量活性物种，正是这些活性物种促进了进一步的改性和处理等应用。纳秒脉冲电源的另一大优势在于，其激励产生的介质阻挡放电是一种在大气压空气中产生均匀弥散状等离子体的有效方式，可以抑制放电由均匀模式向不稳定的丝状、火花、电弧放电等模式转变。因此，纳秒脉冲电源激励产生等离子体的装置和方法备受国内外实验室重视，在材料改性、表面处理、大气污染物处理等方面具有广泛的应用前景。
[0004]专利CN1749663A提出了一种表面放电装置，并利用于空气的净化和处理，然而这种放电结构是传统的平板式结构，需要另外的附加装置才能利用与空气净化。专利CN104853513A设计了一种线-管式电极结构，可以产生大面积均匀介质阻挡放电，但是该装置需要在纯氮气环境下实现，装置结构复杂，并且线-管式电极结构由于放电间隙的限制很难扩展放电装置的体积。
【发明内容】
[0005]为了解决传统表面放电不均匀，等离子体边界不确定，能量利用率低等问题，本发明提供了大气压空气中获取环状均匀等离子体的实验装置，主要由环式电极，双极性纳秒脉冲电源，电学诊断系统，光学诊断系统，和图像采集系统组成。
[0006]环式电极主要由管式高压电极，石英介质管和管式地电极组成;管式地电极紧密包裹在石英介质管外粘贴固定，并通过导线牢固接地;管式高压电极探入到石英介质管内，管式高压电极的顶端处于地电极底端稍下的位置。管式高压电极通过导线连接至双极性纳秒脉冲电源;管式高压电极和管式地电极之间形成环形放电区域;双极性纳秒脉冲电源置于双层屏蔽箱内，并牢固接地。
[0007]电学诊断系统由高压探头，电流探头和数字示波器组成；电压信号经过连接在管式高压电极和双极性纳秒脉冲电源之间导线上的高压探头传递给数字示波器，电流信号经过连接在管式地电极和接地之间导线上的电流探头传递给数字示波器;实时的放电电压和放电电流信号由数字示波器测量并显示;通过测量得到的电压、电流波形，观察波形半高宽，可以得出放电次数、放电弛豫时间、放电功率，以此判断放电的稳定性。
[0008]光学诊断系统由光纤探头，光纤，高分辨率光栅单色仪，电荷耦合器件和计算机组成;将高分辨率光栅单色仪，电荷耦合器件和计算机置于双层屏蔽室内，并牢固接地;光纤探头固定在能够采集到放电等离子体光信号的任意位置;光信号通过光纤进入高分辨率光栅单色仪进行分光，分光后的单色光信号经过电荷耦合器件转化为数字信号，最后由计算机处理，并以光谱图形式呈现。
[0009]图像采集系统为数码相机，数码相机可以放置在能够采集到等离子体放电形貌的任意位置，调节合适的曝光时间、光圈、感光度，即可获得放电图像。
[0010]管式高压电极顶端距离管式地电极底端的间距范围为3-7mm，管式高压电极的外径须与石英介质管的内径一致;管式高压电极的厚度范围为0.8-1.5mm，外径范围为4-8mm，内径范围为2-6mm;石英介质管的厚度范围为1-1.5mm，外径范围为6- 10mm，内径范围为4-8mm;管式地电极紧密包裹在石英介质管外，厚度范围为0.01-0.05mm。
[0011]大气压空气中获取环状均匀等离子体的实验装置的实验方法包括如下步骤:
[0012]步骤1:组装环式电极;将管式高压电极探入石英介质管内并固定;将管式地电极紧密包裹在石英介质管外粘贴固定，并确定管式高压电极顶端与管式地电极底端的间距为3-7mm;通过导线连接管式高压电极和双极性纳秒脉冲电源，将管式地电极牢固接地，按照测量需要将环式电极结构固定。
[0013]步骤2:启动电学诊断系统;将电学诊断系统接入电路，检查无误后，打开数字示波器，调节电压和电流信号的输入频道量程至最大，确定触发方式和信号平均次数。
[0014]步骤3:启动光学诊断系统;连接光信号传播、诊断系统，确认无误后，按照测量需要将光纤探头对准放电区域并固定，打开高分辨率光栅单色仪，电荷耦合器件，和计算机，启动Solis软件;待计算机识别高分辨率光栅单色仪和电荷耦合器件后，按照测量需求选择合适的光栅型号，确定光谱测量波长范围和曝光时间，等待高分辨率光栅单色仪和电荷耦合器件冷却至_70°C以下方可进行下一步操作。
[0015]步骤4:启动图像采集系统;将数码相机固定在三脚架上，选择合适的拍摄方位、曝光时间、光圈、感光度等。
[0016]步骤5:检查步骤I至步骤4，确认无误后，打开双极性纳秒脉冲电源；按照测量需要，先调节脉冲重复频率，再调节脉冲峰值电压;放电开始后，在管式高压电极和管式地电极之间，产生均匀而弥散的环状表面放电等离子体，通过电学诊断系统、光学诊断系统、图像采集系统分别记录电压电流波形、发射光谱、放电图像;记录完毕后，将脉冲峰值电压和脉冲重复频率调至零点，关闭双极性纳秒脉冲电源，放电和测量结束。
[0017]步骤6:根据步骤5中采集的放电图像，可以观察放电等离子体的形貌;根据步骤5中记录的电压、电流波形和发射光谱，可以计算放电功率、等离子体中活性物种的种类和浓度、等离子体振动温度和转动温度、等离子体电子密度等，分析等离子体的均匀性和非平衡度等重要特性。
[0018]本发明的有益效果是:(I)利用环式电极，在大气压空气中获得了环状表面放电等离子体；(2)获得的环状表面等离子体是均匀而弥散的，且具有高度非平衡性；(3)获得的环状表面等离子体存在于石英介质管内，具有明确的边界；(4)设计的环式电极结构可以突破放电电极和介质管的径向尺寸限制；(5)可以利用光学诊断系统、电学诊断系统、图像采集系统，对于产生的环状表面等离子体进行实时的特性诊断，确定放电等离子体的形貌，分析放电机理以及放电等离子体中的活性物种，便于进一步的研究和工业应用。本发明利用纳秒脉冲电源，结合环式电极结构，在大气压空气中获得了均匀的环状表面放电等离子体，并且具有较高的非平衡度。同时，环式电极结构可以根据需要选择合适的尺寸，不受传统线_管式电极放电间隙的限制，解决了传统表面放电不均匀、等离子体边界不受限等问题。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构示意图。
[0020]图2为环式电极结构的主视图和侧视图。
[0021 ]图中:1.管式高压电极;2.石英介质管;3.管式地电极;4.双极性纳秒脉冲电源;5.高压探头;6.电流探头;7.数字示波器;8.光纤探头;9.光纤；10.高分辨率光栅单色仪；11.电荷耦合器件;12.计算机;13.双层屏蔽室；14.双层屏蔽箱;15.接地;16.数码相机。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
[0023]环式电极由管式高压电极1，石英介质管2，和管式地电极3组成。管式高压电极I探入到石英介质管2内，通过导线连接至双极性纳秒脉冲电源4。管式地电极3紧密包裹在石英介质管2外，通过导线牢固接地。管式高压电极I顶端和管式地电极3底端的间距为5mm，期间形成放电区域。
[0024]双极性纳秒脉冲电源4，可以在正负方向上交替产生相同的窄脉冲电压波形，脉冲上升时间约为30-40ns，脉宽约为60ns，脉冲峰值电压在0-60kV范围内连续可调，脉冲重复频率在O - 400Hz范围内连续可调。双极性纳秒脉冲电源4置于双层屏蔽箱14内，并牢固接地15ο
[0025]电学诊断系统由高压探头5，电流探头6，和数字示波器7组成。电压信号经过连接在管式高压电极I和双极性纳秒脉冲电源4之间导线上的高压探头5传递给数字示波器7，电流信号经过连接在管式地电极3和接地15导线之间的电流探头6传递给数字示波器7。实时的放电电压和放电电流信号由数字示波器7测量并显示。通过测量得到的电压、电流波形，观察波形半高宽，可以得出放电次数、放电弛豫时间、放电功率等，以此判断放电的稳定性。
[0026]光学诊断系统由光纤探头8，光纤9，高分辨率光栅单色仪10，电荷耦合器件11，和计算机12组成，置于双层屏蔽室13内，并牢固接地15。采集光信号时，光纤探头8由光具座固定于光学平台上，正对放电区域。光信号通过光纤9收集，进入高分辨率光栅单色仪10进行分光，分光后的单色光信号经过电荷耦合器件11转化为数字信号，最后由计算机12处理，以光谱图形式呈现。放电等离子体中存在大量的激发态活性物种，在退激发过程中，这些活性物种发射光信号，而这些光信号与活性物种的种类、浓度有关。通过分析采集的光信号，可以判断放电等离子体中存在的活性物种及其所