一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置及方法

本发明属于环境保护，更具体地，涉及一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置及方法。

背景技术：

1、带电粒子由于其优异的静电吸附能力，近年来广泛应用于带电粒子催化人工降雨雪、静电除雾除霾、静电除尘等领域。该技术的基本原理是，高电压电离空气持续产生大量带电粒子，进而使得悬浮液滴、霾、粉尘等颗粒物荷电。荷电颗粒物吸引周围颗粒，促进碰并进而降低颗粒物浓度或增大颗粒物粒径，最终实现人工增雨、能见度提高或空气净化等目的。研究表明，颗粒物碰并的效果与颗粒物荷电量，以及颗粒物周围带电粒子浓度呈显著正相关性。因此，提出高浓度的带电粒子产生方法，对于推广带电粒子在人工影响天气、空气净化等领域的应用具有重要的现实意义。

2、目前采用的带电粒子产生方式主要是电晕放电。按照放电电极种类，电晕放电可以分为单电极放电和双电极放电；单电极放电是指仅有放电电极，放电电极加载高电压后，电离空气产生带电粒子；双电极放电是指含有加载高压的放电电极和电气接地的收集电极。放电电极和收集电极间距一般在毫米至厘米级，研究表明，带电粒子浓度与加载电压呈正相关性，当前已有研究可实现单电极放电在负电压90kv下距离电极0.4m处粒子浓度达到1×106cm-3。施加在放电电极上的高电压，可以在狭小的气道内电离空气产生较高浓度的带电粒子，比如双电极放电在20kv可产生5×106cm-3浓度的带电粒子。

3、然而，更高的带电粒子浓度则需要更高的电压等级，电压等级越高，不仅会大幅增加高压电源成本，还会带来严峻的运维难度和人身安全隐患。高浓度的带电粒子仅限于两电极之间，限制了该技术在大范围空间应用的进一步推广。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置及方法，旨在解决产生足够浓度的带电粒子需要的电压等级较高，装置成本较高，运维难度较大，安全性较低与带电粒子难以大范围扩散的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，所述基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置为圆筒型结构，包括：电极条1、介质环管2、地电极环管3、扩散孔隙4、封盖5；

3、所述电极条1、介质环管2和地电极环管3依次相互贴合设置，所述电极条1间隔分布在所述介质环管2的内侧，所述电极条1的长度不超过所述介质环管2；所述地电极环管3包裹在所述介质环管2的外侧，所述地电极环管3在竖直方向上的长度不超过所述介质环管2；所述扩散孔隙4穿透所述介质环管2和地电极环管3，并不与所述电极条1接触；所述封盖5与所述介质环管2的顶端密封连接；

4、所述电极条1连接纳秒正脉冲电源，基于沿面放电特性，所述电极条1在所述介质环管2表面放电生成带电粒子，积累悬浮于所述介质环管2的表面，并在气流作用下从所述扩散孔隙4被吹出所述介质环管2。

5、可选的，所述电极条1环形阵列排布在所述介质环管2的内侧，且长边方向平行于气体的流动方向。

6、可选的，所述扩散空隙4为缩口孔，其内侧直径大于外侧直径，所述内侧直径范围为8-10mm，所述外侧直径范围为4-5mm。

7、可选的，在每根所述电极条1的两侧开设扩散空隙4。

8、可选的，所述纳秒正脉冲电源的工作电压范围是8～20kv，占空比范围为0.1～2.0％。

9、可选的，所述介质环管2为绝缘材料；基于使用的所述纳秒正脉冲电源的放电特性，所述带电粒子与所述介质环管2的绝缘介质表面间形成类等离子体鞘层区域。

10、可选的，所述电极条1的厚度范围为1～3mm，所述质环管2的厚度范围为1～3mm。

11、可选的，所述地电极环管3与介质环管2的接触面积大于电极条1与介质环管2的接触面积。

12、第二方面，本发明还提供了一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散方法，应用于如第一方面中任一所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，包括：

13、电极条与纳秒正脉冲电源连接，使所述电极条在介质环管表面放电生成带电粒子；

14、从介质环管的底端吹入气体，使带电粒子在气流的作用下，从扩散孔隙被吹出介质环管扩散至周围空间中。

15、可选的，通过调节所述纳秒正脉冲电源的上升沿、下降沿时间、占空比和频率，控制所述电极条在介质环管表面放电的强度，以控制生成的带电粒子浓度。

16、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

17、有益效果：

18、1、本发明提供了一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，电极条、介质环管和地电极环管依次相互贴合嵌套设置，构建圆筒型结构；电极条采用纳秒正脉冲，由于介质环管的表面具有一定粗糙度，在正脉冲电压作用下，介质环管的表面与电极条间的小间隙会产生强烈电场畸变，发生沿面介质阻挡放电，产生带电粒子，有效降低放电电压，提高使用安全性，提高产生的带电粒子浓度；因装置呈现圆筒结构，且扩散空隙为缩口孔，带电粒子能够均匀离开装置，且能够扩散得更远，实现周围1m范围内带电粒子浓度超过1×107cm-3，以及更大范围内带电粒子浓度的提高。与现有的带电粒子产生装置相比，本发明的所需电压更低，带电粒子浓度更高，带电粒子扩散范围更远，更适用于大空间的除雾、除霾、除尘等领域的应用，且装置依靠圆柱体直立式架设，空间利用效率更高。

19、2、本发明提供了一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，传统介质阻挡放电方式通常采用交流放电形式，但本发明优选电源参数，改变了传统交流供电的模式，将电极条与纳秒正脉冲电源连接，在纳秒正脉冲作用下，大大提高同电压下产生的带电粒子浓度；基于正极性脉冲电源下的放电特性，可使得扩散的带电粒子能与绝缘介质表面间形成一层极薄的类等离子体鞘层区域，防止带电粒子累积在介质环管内壁；并且，通过控制正极性脉冲电源的输出电压，可改变电极条产生的表面电荷密度，从而改变扩散的带电粒子的浓度。

技术特征：

1.一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置为圆筒型结构，包括：电极条(1)、介质环管(2)、地电极环管(3)、扩散孔隙(4)、封盖(5)；

2.如权利要求1所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述电极条(1)环形阵列排布在所述介质环管(2)的内侧，且长边方向平行于气体的流动方向。

3.如权利要求1所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述扩散空隙(4)为缩口孔，其内侧直径大于外侧直径，所述内侧直径范围为8-10mm，所述外侧直径范围为4-5mm。

4.如权利要求3所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，在每根所述电极条(1)的两侧开设扩散空隙(4)。

5.如权利要求1所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述纳秒正脉冲电源的工作电压范围是8～20kv，占空比范围为0.1～2.0％。

6.如权利要求5所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述介质环管(2)为绝缘材料；基于使用的所述纳秒正脉冲电源的放电特性，所述带电粒子与所述介质环管(2)的绝缘介质表面间形成类等离子体鞘层区域。

7.如权利要求1所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述电极条(1)的厚度范围为1～3mm，所述质环管(2)的厚度范围为1～3mm。

8.如权利要求1所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，所述地电极环管(3)与介质环管(2)的接触面积大于所述电极条(1)与介质环管(2)的接触面积。

9.一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散方法，应用于如权利要求1-8任一所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散方法，其特征在于，通过调节所述纳秒正脉冲电源的上升沿、下降沿时间、占空比和频率，控制所述电极条在介质环管表面放电的强度，以控制生成的带电粒子浓度。

技术总结
本发明公开了一种基于纳秒正脉冲的带电粒子扩散装置及方法。该装置，包括：电极条、介质环管、地电极环管、扩散孔隙、封盖；电极条间隔分布在介质环管的内侧，电极条的长度不超过介质环管；地电极环管包裹在介质环管的外侧，地电极环管在竖直方向上的长度不超过介质环管；扩散孔隙穿透介质环管和地电极环管，并不与电极条接触；封盖与介质环管的顶端密封连接；电极条连接纳秒正脉冲电源，基于沿面放电特性，电极条在介质环管表面放电生成带电粒子，带电粒子积累悬浮于介质环管的内表面，产生高浓度的带电粒子，并在气流作用下从扩散孔隙被吹出介质环管。有效降低放电电压，提高带电粒子浓度，促进带电粒子向周围环境的大范围扩散。

技术研发人员：张明,傅琦雄,李丁晨,李传,肖梦涵,于克训,潘垣
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15