脈沖調(diào)制射頻大氣壓放電特性的實驗研究.pdf

1、射頻(RadioFrequency，RF)大氣壓輝光放電(AtmosphericPressureGlowDischarges，APGDs)不僅不需要真空系統(tǒng)，同時還具有擊穿電壓低、易于產(chǎn)生大面積均勻等離子體的優(yōu)點，因此RFAPGD可應用于納米表面改性、生物醫(yī)學等領域。然而，在實際應用中，大氣壓連續(xù)波(ContinuousWave，CW)RFAPGDs中的氣體溫升較高，這將限制該種放電的應用領域。為了降低CWRFAPGDs的氣體溫度，國內(nèi)

2、外幾個研究小組開始探索脈沖調(diào)制(Pulse-Modulated，PM)RFAPGDs。盡管已有的PMRFAPGDs研究工作揭示了脈沖調(diào)制參數(shù)對擊穿特性、暫態(tài)演化、放電模式、斑圖的影響，但仍然存在一系列尚待研究、探討的重要問題。為此，本論文開展了以下研究:
　　一、PMRFAPGD功率計算
　　1.采用已原位標定的分立型電壓、電流探頭測量PMRFAPGDs中的電壓、電流，利用離散傅里葉變換(DiscreteFourierTra

3、nsform，DFT)計算PMRFAPGDs的功率、相位角，分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)在脈沖上升、下降階段，脈沖放電功率出現(xiàn)振蕩;在脈沖平頂段，振蕩消失。(2)在脈沖下降沿的最后階段，相位角小于-90°。推導了積分功率的解析表達式，同時采用DFT計算了負載功率和相位角，分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn):功率振蕩源于電容的凈功率變化，振蕩幅度隨DFT采樣窗口長度的增加或脈沖調(diào)制信號上升（下降）沿斜率的提高而增大。
　　2.在給定的脈沖調(diào)制射頻數(shù)值信號

4、下，分析純電容負載的DFT功率發(fā)現(xiàn):在脈沖上升（下降）沿段，只有某些時刻的功率、相位角等于電容功率(0W)和相位角(-90°)。定義這些特殊時刻為零電容功率時刻。在不同類型RC負載下，分析了零電容功率時刻、相位角極值之間的關系，得到了二者之間的經(jīng)驗公式，由此可以確定PMRFAPGD的有功功率，具體步驟如下:(1)利用DFT計算PMRFAPGD功率和相位角;(2)在上升（下降）沿段，找相位角最?。ù螅┲档臅r刻，由經(jīng)驗公式計算零電容凈功率時

5、刻;(3)零電容凈功率時刻的對應功率、相位角即為PMRFAPGD的有功功率、真實相位角。
　　3.利用數(shù)值計算方法研究了有功功率DFT計算值的誤差，發(fā)現(xiàn)了不同負載類型、阻抗比、阻抗相位角對有功功率DFT計算值的誤差影響較小，而PMRF信號上升（下降）沿斜率對有功功率DFT計算值的誤差影響很大，有功功率DFT計算值誤差隨上升（下降）沿斜率增大而減小。在實驗中，將光電倍增管采集的放電光強信號與DFT計算的PMRFAPGD有功功率比較，

6、證實了有功功率計算方法的可行性。
　　二、PMRFAPGD擊穿特性
　　1.提出了利用放電有功功率急劇增加處的拐點判斷氣體擊穿、獲得擊穿電壓的新方法。由此研究了平均等離子體吸收功率、脈沖關斷時間對擊穿電壓的影響。研究發(fā)現(xiàn):在脈沖頻率較低時，擊穿電壓隨著平均等離子體吸收功率的增加而提高;在脈沖頻率較高時，擊穿電壓隨著平均等離子體吸收功率的增加而降低。在相同的平均等離子體吸收功率下，占空比越高擊穿電壓越低。擊穿電壓隨脈沖關斷時間

7、的變化行為表現(xiàn)出三個明顯不同的特征:(A)在脈沖關斷時間大于10ms的區(qū)域內(nèi)，擊穿電壓隨關斷時間的降低僅稍微減小;(B)在脈沖關斷時間大于0.05ms而小于10ms的區(qū)域內(nèi)，擊穿電壓隨脈沖關斷時間的減小而快速降低;(C)在脈沖關斷時間小于0.05ms的區(qū)域內(nèi)，擊穿電壓隨關斷時間的降低而緩慢減小。
　　2.研究了脈沖關斷時間對擊穿延遲時間的影響，研究發(fā)現(xiàn)擊穿延遲時間隨脈沖關斷時間的變化也呈現(xiàn)出三個明顯不同的特征:(Ⅰ)在長脈沖關斷時

8、間區(qū)間（大于4.56s），擊穿延遲時間幾乎不變;(Ⅱ)在中等脈沖關斷時間區(qū)間（10ms-4.56s），擊穿延遲時間隨關斷時間減小快速降低;(Ⅲ)在短脈沖關斷時間區(qū)間（小于10ms），擊穿延遲時間隨關斷時間降低而緩慢減小。根據(jù)擊穿電壓隨脈沖關斷時間變化的特征，分析了帶電粒子在放電余暉階段經(jīng)歷的三種不同擴散損失機制。在不同脈沖關斷時間下改變放電氣體中氮氣/氬氣比例，在實驗上證實了氮原子在氧化鋁表面上的復合過程對擊穿延遲時間的影響。
　

9、　3.在大范圍關斷時間區(qū)域中，研究獲得了PMRFAPGD擊穿段的發(fā)光特性:(1)在關斷時間大于50ms的區(qū)域中，擊穿發(fā)生在隨機變化的局部位置;(2)在關斷時間為10ms-50ms的區(qū)域中，隨機擊穿點的個數(shù)隨關斷時間減小而增加，隨機性減弱;(3)在關斷時間為0.05ms-10ms的區(qū)域中，擊穿為均勻輝光;(4)在關斷時間為0.04ms-0.05ms的區(qū)域中，擊穿時斑圖與輝光共存;(5)在關斷時間小于0.04ms的區(qū)域中，擊穿為斑圖。在擊穿

10、之后，不同時間區(qū)域的放電形狀、大小隨時間改變:當關斷時間處于(1)或(2)特征區(qū)域時，擊穿后的放電沿徑向跳躍性地向外擴張，隨后再逐漸發(fā)展成為均勻輝光，發(fā)展成均勻輝光所需時間與脈沖關斷期間的種子電子擴散有關;當關斷時間處于(3)特征區(qū)域時，種子電子在余暉階段的擴散過程既滿足了均勻擊穿的要求，又避免空間不均勻性的積累性傳遞，擊穿和后續(xù)放電均為均勻輝光;當關斷時間處于(4)或(5)特征區(qū)域時，擊穿后的放電為斑圖-輝光共存或斑圖。
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11、.在脈沖占空比不變的條件下研究了首次擊穿放電，實驗表明擊穿電壓隨脈沖頻率的增加而提高，通過分析確定擊穿電壓與擊穿延遲時間之間的關系是造成這種變化的原因。
　　三、PMRFAPGD模式轉(zhuǎn)化
　　首次在PMRFAPGD中證實了α-γ模式轉(zhuǎn)變。與CWRFAPGD的α-γ模式轉(zhuǎn)變相比，PMRFAPGD的α-γ模式轉(zhuǎn)變電壓大于CWRFAPGD的α-γ模式轉(zhuǎn)變電壓，且隨占空比的增加而減小。結(jié)合PMRFAPGD氣體溫度、α-γ模式轉(zhuǎn)化臨界

12、電壓隨占空比的變化特點，討論、解釋了PMRFAPGD的放電電流隨脈沖占空比的變化規(guī)律。采用高速相機研究了PMRFAPGD的時間演變，結(jié)果發(fā)現(xiàn):當脈沖射頻電壓足夠高時，在脈沖的上升段PMRFAPGDs即經(jīng)歷了α-γ模式過程。
　　四、PMRFAPGD電壓、電流波形研究
　　為了解釋復雜的PMRFAPGD的脈沖波形，首先研究了CWRFAPGD中正、負反饋效應，發(fā)現(xiàn)隨著放電功率的增加，正、負反饋區(qū)邊界對應的匹配網(wǎng)絡串聯(lián)電容值減小，

13、采用放電系統(tǒng)的簡化電路模型研究分析了正、負反饋區(qū)，由此研究了正、負反饋對脈沖電壓、電流波形、放電功率時間演化的影響。當放電處于負反饋區(qū)時，脈沖電壓、電流波形和放電功率在脈沖開始階段出現(xiàn)尖峰;當放電處于正反饋區(qū)時，脈沖初始階段的尖峰消失。脈沖波形不僅與放電正、負反饋區(qū)有關，還受脈沖調(diào)制射頻信號上升沿長度、放電功率的影響。當脈沖調(diào)制射頻信號上升沿長度為5ns時，脈沖放電波形的演化過程較復雜，當脈沖調(diào)制射頻信號上升沿長度為15μs時，脈沖放電

14、波形中的過沖、下沖減弱，對應的波形演化過程相對簡單。當匹配網(wǎng)絡串聯(lián)電容值接近正、負反饋區(qū)邊界對應的電容值且放電功率較高時，在一個脈沖內(nèi)放電由正反饋區(qū)進入負反饋區(qū)，在脈沖開始階段的尖峰高度增加。尖峰后段的下沖程度與放電反饋區(qū)、放電功率、上升沿長度和脈沖關斷時間有關，當脈沖上升沿長度較短、關斷時間為中等值且PMRFAPGD處于負反饋區(qū)時，高放電功率下脈沖放電產(chǎn)生嚴重下沖，脈沖放電出現(xiàn)暫時熄滅、隨后二次擊穿的現(xiàn)象。另外還研究了射頻電壓、電流波