介质阻挡放电特性及其影响因素_图文

1、第26卷第6期2005年11月江苏大学学报(自然科学版Journal of J iangsu University(Natural Science Editi onNov.2005介质阻挡放电特性及其影响因素蔡忆昔,刘志楠,赵卫东,李小华(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013摘要:依据低温等离子体转化有害气体的机理,设计了一种基于介质阻挡放电原理的低温等离子体发生器.通过试验研究对比,分析了微放电过程及等离子体空间分布特性,研究介质材料、厚度、放电间隙、电源电压及频率对放电特性的影响.研究表明:选择相对介电常数较大、较薄的介质更易获得较大的放电强度;较小的放电间隙有利于提高放电的强

2、度和放电的均匀性.增大电源电压和频率会使放电功率随之增大.关键词:低温等离子体;介质阻挡放电;放电间隙;微放电;放电形貌中图分类号:TK421.5文献标识码:A文章编号:1671-7775(200506-0476-04Characteristi cs and rel ated factors of di electri c barri er dischargeCA I Yi2xi,L I U Zh i2nan,ZHAO W ei2dong,L I X iao2hua(School of Aut omobile and Traffic Engineering,J iangsu Universit

3、y,Zhenjiang,Jiangsu212013,ChinaAbstract:The theory of dielectric barrier discharge is intr oduced.The p r ocess and the characteristics of m icr o discharge are analyzed.The fact ors of dielectric barrier discharge are studied by the experi m ents.The result shows that the intensity of discharge ris

4、es with the increase of dielectric constant and dr op swith the increase of barrier thickness.Reducing the air gap will p r omote the steadiness and intensity of the discharge,and increasing the voltage and frequency of power supp ly will make the discharge much more intense.Key words:non2ther mal p

5、 las ma;dielectric barrier discharge;discharge gap;m icr o2discharge;discharge i m age与其他污染治理技术相比,低温等离子体(non2 ther mal p las ma,NTP处理法具有处理流程短、效率高、能耗低、适应范围广等优点,已广泛应用于工业污染物的处理.近年来,利用NTP降低发动机有害物排放引起了国内外研究者的广泛注意,并成为研究热点1.低温等离子体一般通过气体放电产生,电子束辐射、电晕放电、介质阻挡放电(dielectric barrier dis2 charge,DBD为常压下产生低温等离子体的主

6、要途径.与电子束辐射相比,介质阻挡放电设备结构简单、系统造价低,且由于电极间绝缘介质的存在,避免了电晕放电过程中易出现的局部放电或弧光放电,系统可靠性强,相关研究2表明,在利用NTP处理发动机有害排放物控制技术中,介质阻挡放电将是最为可行的低温等离子体产生方式.作者采用试验手段对介质阻挡放电的特性及其影响因素进行研究,以便为研制适合于发动机排气处理的等离子反应器提供依据.1介质阻挡放电装置及工作机理111装置结构图1给出了介质阻挡放电装置的几种典型结构收稿日期:2005-02-20及其等效电路.电极和放电间隙可以为平面型,也可以为同轴圆柱型.介质阻挡层可以为单层或双层,可以覆盖在电极上或悬挂在

7、放电空间中 .图1介质阻挡放电装置示意图及等效电路Fig .1Sketch map of DBD device and equivalent circuit112工作机理电子从外加交流电场获得能量,与放电间隙中的气体分子或原子发生非弹性碰撞并传递几乎全部的能量,从而激励气体产生电子雪崩,生成大量空间电荷.它们聚集在雪崩头部形成本征电场并叠加在外电场上同时对电子作用,雪崩中的部分高能电子将进一步得到加速向阳极方向逃逸,由逃逸电子形成的击穿通道使电子电荷有比电子迁移更快的速度,从而形成了往返于电极间的两个电场波.这样一个导电通道能非常快地通过放电间隙,形成大量细丝状的脉冲微放电,均匀、稳定地充满整

8、个放电间隙.气体被击穿、导电通道建立后,空间电荷在放电间隙中输送并积累在介质上.介质表面电荷将建立电场,其方向与外电场相反,从而削弱作用电场,以致中断放电电流,所以DBD 装置中须使用交流电源,以使放电过程再次启动.因此介质阻挡放电是一个放电、熄灭、重新放电的复杂、瞬态过程,对该过程起决定性作用的为电子和重离子之间的非弹性碰撞3.介质阻挡放电过程中电子取得能量的表达公式为4:T e =m h E g 23kn e m e e(1式中为生成的等离子体的电导率;k 为波尔兹曼常数;n e 为电子浓度;m e 、m h 分别为电子和重粒子的质量;E g 气隙间电场强度;e 为电子碰撞频率.由式(1可

9、以看出,介质阻挡放电过程中电子从外加电场取得的能量和电场强度、气体种类及浓度(或压强有关,电场强度和气体浓度对电子取得的能量大小起决定作用.在常压较大气体浓度下,只有通过提高气隙电场强度得到大量高能电子,才能使介质阻挡放电顺利进行.由图1可知采用单阻挡介质时,气体击穿放电前放电间隙电场强度为:E g =V dl d g +l g d(2式中V 为外加电压;d 、g 分别为介质及气体的相对介电常数;l d 、l g 为介质厚度和气隙宽度.由式(2可见,增加外加电压V 和相对介电常数d ,减小放电间隙l g 和介质厚度l d ,可以获得较强的放电间隙电场强度.113放电形貌及等离子体空间分布特性由

10、112可知,微放电是介质阻挡放电的核心.由于介质的绝缘性质,微放电能够彼此独立地发生在放电气体间隙里的很多随机位置上,每个微放电通道相当于弧光放电中的流光击穿.图2是常压下空气中以陶瓷为介质的介质阻挡放电形貌,可以看出,大量的微放电无规则地分布在整个放电空间内,均匀、漫散且稳定,接近低气压下的辉光放电,但实际上是由大量细微的快脉冲放电通道构成的 .图2常压空气中介质阻挡放电形貌Fig .2D ielectric barrier discharge i m age in air under nor malat m os phere图3是介质阻挡放电对吸附有发动机碳烟的滤纸的作用效果.在有微放电通

11、道分布的区域形成黑白相间的点状图案,白色为微放电通道作用于碳烟之后的滤纸底色,无微放电通道经过的滤纸外圈变化不明显 .图3介质阻挡放电对碳烟作用效果Fig .3Effect of s oot carbon p r ocessed by DBD由气体放电物理学及等离子体化工原理可知,空气被击穿时,分子历经激发、电离或离解,产生了新的激发态、亚稳态、游离粒子、活性基以及各种离子、电子、光子等低温等离子态活性物质,为化学反774第6期蔡忆昔等:介质阻挡放电特性及其影响因素应提供了丰富的活性粒子和自由基;电子能量越高,所形成的活性粒子和自由基越多,较低温度下难以进行的碳烟氧化过程在低温等离子体作用下依

12、靠下述反应得以更迅速地完成5.C +O CO(3C +OH CO +1/2H 2 (4C +NO 2CO +NO (5由此可以推断,介质阻挡放电过程中产生的大量等离子态活性离子和自由基主要分布于微放电通道之中,等离子体诱发的化学反应也主要在微放电通道区域快速进行.2试验装置及结构参数为探讨相关因素对介质阻挡放电特性的影响,研究过程中设计了如图4所示的试验装置. 图4介质阻挡放电特性试验装置Fig .4Sketch map of experi m ental mounting 单介质覆盖在地极上,极板为直径35mm 的铜电极.忽略电源及传输线路的损耗,近似认为放电功率为电源的输入功率,电源的输出

13、电压及频率通过容性分压电路测量,电源输出参数范围为电压峰值030kV ,频率530kHz,电压波形为正弦波.试验中的介质材料参数如表1所示.表1介质阻挡层材料的相对介电常数和尺寸Tab .1D i electr i c 2sl ab ma ter i a ls,d i electr i c con st an t andd i m en si on s材料名称相对介电常数厚度/mm 95陶瓷1335石英玻璃5353相关参数对放电特性的影响311介质材料对放电特性的影响选用5mm 厚的95陶瓷和石英玻璃,保持放电间隙为115mm ,电源输出电压为12.8kV,在不同频率下分别进行试验,结果如图5

14、所示.可以看出,与石英相比,以陶瓷为介质材料时,在不同电源频率下介质阻挡放电功率均有明显上升.另外试验中观察到陶瓷作为介质时电极间产生的微放电通道数量更多,且较石英更为均匀、稳定,其起始放电电压(5.75k V 左右也较石英为介质时(7.6k V 左右低.图5介质材料对DBD 放电特性的影响Fig .5Comparis of discharge power with different barriermaterials under varied input frequency放电功率是描述放电强弱的重要物理量6,因此,选择介电常数较高的介质更易获得强烈、稳定、均匀的介质阻挡放电.312介质厚度

15、对放电特性的影响分别以两种不同厚度石英玻璃和陶瓷作为介质,研究了介质厚度对DBD 放电特性的影响,试验中测得5mm 厚石英为介质时起始放电电压为7.6kV 、3mm 厚度石英为6.4kV 左右,两种介质的不同厚度对DBD 放电功率的影响如图6和图7所示.可见,在输入电压相同时,厚度较薄的介质起始放电电压较低,放电功率更大,放电过程更为强烈.图6石英介质厚度对DBD 放电特性的影响Fig .6Comparis on of discharge power with different thicknessof barrier quartz under variedvoltage图7陶瓷介质厚度对DB

16、D 放电特性的影响Fig .7Comparis on of discharge power with different thicknessof barrier china ware under varied voltage313电压及频率对放电特性的影响在DBD 装置几何条件一定时,由图5可以看出,相同的输入电压下,放电功率随电源频率的增加而略有增加;由图6、图7可知,对于陶瓷和石英两874江苏大学学报(自然科学版第26卷种介质,输入电压的增加都使得DBD 放电功率大幅增加.在介质阻挡放电装置实际应用时,可根据具体情况,通过改变装置的输入电压而方便地对放电过程加以控制.314放电间隙对放电特

17、性的影响采用厚3mm 石英玻璃介质,固定电源频率为13kHz,测得在不同间隙下放电功率的变化规律如图8所示,在相同输入电压下,放电功率随间隙增大而略有下降.采用同样厚度的陶瓷,把电源频率固定在14kHz,如图9所示,可得到相同的结论.在两次试验过程中均可观测到,随着间隙的变大,气隙间的微放电通道数量减少,分布不均匀性增加,单个微放电通道变粗,生成的等离子体能量分布更趋集中7 .图8石英介质放电间隙对放电功率的影响Fig .8Comparis on of discharge power with different air gap sof barrier quartz under varied

18、voltage图9陶瓷介质放电间隙对放电功率的影响Fig .9Comparis on of discharge power with different air gap s ofbarrier china ware under varied voltage4结论试验证明,由介质阻挡放电产生的大量等离子态活性粒子和自由基主要分布于微放电通道区域中,形成的丝状微放电通道的密集度、放电稳定性主要由介质性质、放电功率、放电间隙等因素决定.采用介电常数大,较薄的介质,当电源参数及其他因素不变时,放电强度随相对介电常数的增大而增大,随介质厚度的增大而减小.在介质阻挡放电装置结构参数确定后,放电功率随输入电

19、压的升高而增大.放电间隙增大时,形成较粗的丝状放电,且微放电通道的分布密度降低,放电的不稳定性增加.当调压调频交流脉冲电源与介质阻挡放电装置匹配时,存在最优的放电频率.参考文献(References1蔡忆昔,吴江霞,赵为东,等.非平衡等离子体处理柴油机有害排放J .江苏大学学报(自然科学版,2005,26(2:121-124.C A I Yi 2xi,WU J iang 2xia,Z HAO W ei 2dong,et al .Reduc 2ti on of particulate and nitric oxide fr om vehicle diesel engine using p las

20、 ma and P DFJ .Journal of J iangsu U 2niversity (N atural Science Edition ,2005,26(2:121-124.(in Chinese 2Kos ocha L A,Snyder H R,M izi olek A W ,et al .Deve 2l opment of non 2ther mal p las ma react or technol ogy f or contr ol of at m os pheric e m issi ons:final report f or serdp p r oject cp 21038R .Los A lauos Nati onal Laborat ory A r my Research Laborat ory,Me M aster University,2000.3徐学基,诸定昌.气体放电物理M .上海:复旦大学出版社,1996.209-310.4张芝涛,白敏的,周晓见,等.强电离放电产生臭氧等离子体过程及其应用研究J .环境污染治理技术与设备,2002,3(4:25-28.Z HANG Zhi 2tao,BA I M in