納秒脈沖放電等離子體射流特性

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1、第２４卷第３期強(qiáng)激光與粒子束Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．３２０１２年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１２文章編號：１００１－４３２２（２０１２）０３－０６１７－０４＊納秒脈沖放電等離子體射流特性牛錚１，邵濤１，２，章程１，２，方志３，李春霞４，張東東１，２，嚴(yán)萍１，２（１．中國科學(xué)院電工研究所，北京１００１９０；２．中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京１００１９０；３．南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，南京２１０００９；４．中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽６２１９００）摘要：采用單針式電極，使用單極性重復(fù)頻率脈沖電源，在常壓

2、氦氣、氬氣、氮?dú)夂涂諝庵械玫降入x子體射流，并改變電壓、流量和氣體種類，分別觀察不同的實(shí)驗(yàn)條件對等離子體射流的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：射流長度隨施加電壓的增加而增長；隨著流量的連續(xù)變化，射流長度先逐漸變長，達(dá)到峰值后由于湍流影響，長度又逐漸縮短，達(dá)到一定流量后趨于飽和。此外，不同工作氣體中的等離子體射流呈現(xiàn)截然不同的外觀，氦氣和氬氣中射流呈針狀模式，長度可達(dá)７ｃｍ以上；而在氮?dú)夂涂諝庵?，射流呈現(xiàn)為長度不超過２ｃｍ的刷狀模式。關(guān)鍵詞：納秒脈沖；大氣壓等離子體射流；多種氣體；射流長度；射流外觀中圖分類號：ＴＭ８９；ＴＭ２１３文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１２２４０３．０

3、６１７目前，大氣壓低溫等離子體被廣泛應(yīng)用于臭氧形成、廢氣處理、等離子體輔助燃燒、表面改性、醫(yī)用滅菌等［１－１０］領(lǐng)域。傳統(tǒng)方法通過介質(zhì)阻擋放電在大氣中產(chǎn)生低溫等離子體，但由于其反應(yīng)腔太過狹窄，而且插入的處理媒介也可能會影響等離子體的穩(wěn)定性，因此限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。大氣壓等離子體射流具有一定的長度，將等離子體反應(yīng)區(qū)域和放電區(qū)域相分離，能夠?qū)崿F(xiàn)等離子體遠(yuǎn)距離以及對復(fù)雜形狀的處理，因此具有良好的發(fā)［３，１１－１３］展前景。根據(jù)激勵源、放電結(jié)構(gòu)、工作氣體等條件的不同，等離子體射流可以呈現(xiàn)很多不同的類型。［１４－１５］Ｌａｒｏｕｓｓｉ等多年以來對等離子體射流的形成和傳播機(jī)制進(jìn)行了深入研究。

4、盧新培等使用光譜和高速攝影［３，９，１６］等測量手段研究等離子體射流，并在滅菌等應(yīng)用領(lǐng)域開展了一系列實(shí)驗(yàn)。蒲以康等從氣體動力學(xué)及亞穩(wěn)［１７－１８］態(tài)電離過程的角度，闡述了電壓、流量等參數(shù)對射流外形特征的影響機(jī)制。一般來說，射流較容易在惰性氣體中產(chǎn)生，例如氦氣和氬氣。如果能在空氣中產(chǎn)生穩(wěn)定的射流，對于工業(yè)應(yīng)用來說就更加具有優(yōu)勢。本文中，使用氦氣、氬氣、氮?dú)猓兌染鶠椋梗梗梗梗梗ィ┖涂諝猓◤闹車髿庵谐槿。?，通過納秒脈沖電源激勵得到了大氣壓等離子體射流，并在不同的實(shí)驗(yàn)條件下對其電氣特性及外觀特征進(jìn)行了研究。１實(shí)驗(yàn)裝置本文所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖１所示。激勵源采用兩［１９］種磁脈沖壓縮電源

5、，其中單級磁脈沖壓縮電源產(chǎn)生的脈沖電壓為３０ｋＶ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，脈沖上升沿４０ｎｓ，［２０］半高寬７０ｎｓ；兩級磁脈沖壓縮電源產(chǎn)生脈沖電壓可達(dá)５０ｋＶ，上升沿２５ｎｓ，持續(xù)時間４０ｎｓ。本文中所有電壓－電流實(shí)驗(yàn)均采用單級磁脈沖壓縮電源激勵，電壓－流量實(shí)驗(yàn)采用兩級磁脈沖壓縮電源激勵。脈沖重復(fù)頻率由觸發(fā)器在１ｋＨｚ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。放電采用的單針電極結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)［１６，２０］使用的電Ｆｉｇ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｌａｓｍａｊｅｔｓ極類似，銅針電極固定在三通玻璃管中部。本文分別采圖１大氣壓等離子體射流實(shí)驗(yàn)裝置用了兩種尺寸的玻璃管，一種外徑

6、１０ｍｍ、內(nèi)徑７ｍｍ保持不變；另一種外徑６ｍｍ，內(nèi)徑４ｍｍ，帶有類似于注射器的收縮噴口，噴口直徑１．５ｍｍ。工作氣體的流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。電壓測量采用ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＰ６０１５高壓探頭，電流測量采用ＰｅａｒｓｏｎＭｏｄｅｌ４１００，線圈固定在玻璃管外圍。＊收稿日期：２０１１－１１－０１；修訂日期：２０１１－１２－０３基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（１１０７６０２６，５０９０７０６８）；高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（ＫＦ２０１１０３）作者簡介：牛錚（１９８７—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷好}沖放電應(yīng)用；ｎｉｕｚｈｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：邵濤（

7、１９７７—），男，博士，副研究員，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)、脈沖功率技術(shù)和放電等離子體應(yīng)用等；ｓｔ＠ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎ。６１８強(qiáng)激光與粒子束第２４卷記錄信號采用ＬｅｃｒｏｙＷＲ２０４Ｘｉ示波器，帶寬２ＧＨｚ，采樣頻率為１０１０／ｓ。實(shí)驗(yàn)觀測圖像由ＣａｎｏｎＥＯＳ５００Ｄ數(shù)碼相機(jī)拍攝，鏡頭使用ＴａｍｒｏｎＬｅｎｓ（ＭｏｄｅｌＡ００１）。２實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析２．１電氣特性圖２所示為氦氣等離子體射流的電壓、電流特性曲線。采用外徑１０ｍｍ、內(nèi)徑７ｍｍ的玻璃管，銅針電極直徑２