处的状态，同时，通过分析、比较光谱的振动能级和转动能级，可以得到等离子体的振动温度和转动温度等信息，从而判断放电等离子体的非平衡度。
[0027]图像采集系统为数码相机16，采集图像时，将数码相机16置于三脚架上，正对放电区域，调节合适的曝光时间、光圈、感光度，即可获得放电图像。将拍摄方向平行于石英介质管3的轴线时，可以观察到放电等离子体为环状且紧贴于石英管3的内壁。将拍摄方向垂直于石英介质管3的轴线时，可以观察到放电等离子体是均匀而弥散的。
[0028]大气压空气中获取环状均匀等离子体的实验方法如下:
[0029]步骤1:组装环式电极。将管式高压电极I探入石英介质管2内固定。将管式地电极3紧密包裹在石英介质管2外，确定管式高压电极I顶端和管式地电极3底端的间距，并固定好。通过导线连接管式高压电极I和双极性纳秒脉冲电源4，将管式地电极3牢固接地15，按照测量需要将环式电极结构固定。本实施例中，管式高压电极I顶端和管式地电极3底端的间距为5mm。
[0030]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7，调节电压和电流信号的输入频道量程至最大，确定触发方式和电信号平均次数。
[0031]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10和计算机12，启动Solis软件，待计算机12识别高分辨率光栅单色仪10和电荷耦合器件11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10和电荷耦合器件11冷却至-70°C以下方可进行下一步操作。
[0032]步骤4:启动图像采集系统。将数码相机16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。
[0033]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4。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I和管式地电极3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4，放电和测量结束。
[0034]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。
[0035]本实施例中，管式高压电极I为紫铜管，管式地电极3为三层0.0lmm厚的紫铜箔。管式高压电极I外径为6mm，内径为4mm。石英介质管2的外径为8mm，内径为6mm。
[0036]本发明中的电源是双极性高压纳秒脉冲电源，主要由四部分组成，直流高压电源，脉冲电容，储能电容，以及旋转火花隙。电源同时包含两个回路，即充电回路和放电回路。该电源可以在正负两个方向上交替产生脉冲宽度为60ns，脉冲上升沿为30-40ns的相同窄脉冲，脉冲重复频率范围为O - 400Hz，在此范围内连续可调。为了减少放电电源对于其它实验设备的干扰，整个脉冲电源置于双层屏蔽箱内，屏蔽箱外壳牢固接地。
[0037]数字示波器采用Tektronix公司生产，型号MD03034，带宽350MHz。高压探头采用P6015A，1000X，3.0pF，100MQ。电流探头采用Pearson探头，型号4100。电学诊断系统主要用于实时测量介质阻挡放电的放电电压和电流，由数字示波器显示。测量时，高压探头的一端与管式高压电极相连，另一端与数字示波器相连。电流探头的一端连接在地电极与接地导线之间，另一端同样与数字示波器相连。
[0038]光学诊断系统包括，光纤，带有螺旋测微器的光具座，Andor公司生产的SR-750i型高分辨率光栅单色仪，电荷耦合器件，计算机。光纤探头由光具座固定，探头保持水平，诊断位置可按照需要而定。光具座可以在三个方向上由螺旋测微器调节，使得光纤探头正对放电区域。光栅的型号可选择，24001/m，12001/m，和5001/m。在测量光谱时，放电发射的光信号由光纤探头采集，进而传输到高分辨率光栅单色仪进行衍射分光，并由电荷耦合器件捕捉光信号，将光信号转换为数字信号，经过计算机处理后，最终形成具有特定波长范围的光谱图像。光学诊断系统置于双层屏蔽室内，屏蔽室牢固接地。
[0039]图像采集系统为数码相机，本实施例中采用的是Cannon70D。在采集放电图像时，可以根据拍摄需要选择适当的拍摄方位、曝光时间、光圈、感光度等。
【主权项】
1.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(4)，电学诊断系统，光学诊断系统，和图像采集系统组成;其特征在于: 环式电极主要由管式高压电极(I)，石英介质管(2)和管式地电极(3)组成;管式地电极(3)紧密包裹在石英介质管(2)外粘贴固定，并通过导线牢固接地(15);管式高压电极(I)探入到石英介质管(2)内，管式高压电极(I)的顶端处于地电极(3)底端稍下的位置，管式高压电极(I)通过导线连接至双极性纳秒脉冲电源(4);管式高压电极(I)和管式地电极(3)之间形成环形放电区域;双极性纳秒脉冲电源(4)置于双层屏蔽箱(14)内，并牢固接地(15); 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)之间导线上的电流探头(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，以此判断放电的稳定性； 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;将高分辨率光栅单色仪(10)，电荷耦合器件(11)和计算机(12)置于双层屏蔽室(13)内，并牢固接地(15);光纤探头(8)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(9)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，并以光谱图形式呈现； 图像采集系统为数码相机(16)，数码相机(16)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。2.根据权利要求1所述的大气压空气中获取环状均匀等离子体的实验装置，其特征在于，管式高压电极(I)顶端距离管式地电极(3)底端的间距范围为3-7mm，管式高压电极(I)的外径须与石英介质管(2)的内径一致;管式高压电极(I)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(2)的厚度范围为1-1.5mm，外径范围为6-1Omm,内径范围为4-8mm;管式地电极(3)紧密包裹在石英介质管(2)外，厚度范围为0.01-0.05mm。3.根据权利要求1所述的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: 步骤1:组装环式电极;将管式高压电极(I)探入石英介质管(2)内并固定;将管式地电极(3)紧密包裹在石英介质管(2)外粘贴固定，并确定管式高压电极(I)顶端与管式地电极(3)底端的间距为3-7mm;通过导线连接管式高压电极(I)和双极性纳秒脉冲电源(4)，将管式地电极(3)牢固接地(15)，按照测量需要将环式电极结构固定； 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(7)，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； 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(10)，电荷耦合器件(11)，和计算机(I 2 )，启动So I i s软件;待计算机(I 2)识别高分辨率光栅单色仪(I O)和电荷耦合器件(11)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(10)和电荷耦合器件(11)冷却至-70°C以下方可进行下一步操作； 步骤4:启动图像采集系统;将数码相机(16)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； 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(4);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(I)和管式地电极(3)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(4)，放电和测量结束； 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。
【专利摘要】大气压空气中获取环状均匀等离子体的实验装置及方法，属于等离子体技术领域。管式地电极(3)紧密包裹在石英介质管(2)外粘贴固定，并通过导线牢固接地；管式高压电极(1)探入到石英介质管(2)内，管式高压电极(1)的顶端处于地电极(3)底端稍下的位置，管式高压电极(1)通过导线连接至双极性纳秒脉冲电源(4)；管式高压电极(1)和管式地电极(3)之间形成环形放电区域。放电等离子体由双极性纳秒脉冲电源(4)激励产生，利用电学诊断系统，光学诊断系统，和图像采集系统，对于产生的环状表面等离子体进行实时的特性诊断。
【IPC分类】G01R31/12, H05H1/24, G01N21/68, H05H1/00
【公开号】CN105699359
【申请号】CN201610032027
【发明人】王文春, 赵紫璐, 杨德正, 袁皓, 张丽, 王森, 刘志杰, 张帅
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年1月18日