本文關(guān)鍵詞：脈沖調(diào)制射頻大氣壓放電特性的實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：射頻(Radio Frequency, RF)大氣壓輝光放電(Atmospheric Pressure Glow Discharges, APGDs)不僅不需要真空系統(tǒng),同時(shí)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(diǎn),因此RF APGD可應(yīng)用于納米表面改性、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,大氣壓連續(xù)波(Continuous Wave, CW) RF APGDs中的氣體溫升較高,這將限制該種放電的應(yīng)用領(lǐng)域。為了降低CW RF APGDs的氣體溫度,國(guó)內(nèi)外幾個(gè)研究小組開(kāi)始探索脈沖調(diào)制(Pulse-Modulated, PM) RF APGDs。盡管已有的PM RF APGDs研究工作揭示了脈沖調(diào)制參數(shù)對(duì)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(wèn)題。為此,本論文開(kāi)展了以下研究：一、PM RF APGD功率計(jì)算1。采用己原位標(biāo)定的分立型電壓、電流探頭測(cè)量PM RF APGDs中的電壓、電流,利用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform, DFT)計(jì)算PMRF APGDs的功率、相位角,分析計(jì)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(dǎo)了積分功率的解析表達(dá)式,同時(shí)采用DFT計(jì)算了負(fù)載功率和相位角,分析計(jì)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(zhǎng)度的增加或脈沖調(diào)制信號(hào)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(hào)下,分析純電容負(fù)載的DFT功率發(fā)現(xiàn)：在脈沖上升(下降)沿段,只有某些時(shí)刻的功率、相位角等于電容功率(0 W)和相位角(-90。)定義這些特殊時(shí)刻為零電容功率時(shí)刻。在不同類型RC負(fù)載下,分析了零電容功率時(shí)刻、相位角極值之間的關(guān)系,得到了二者之間的經(jīng)驗(yàn)公式,由此可以確定PM RF APGD的有功功率,具體步驟如下： (1)利用DFT計(jì)算PM RF APGD功率和相位角； (2)在上升(下降)沿段,找相位角最小(大)值的時(shí)刻,由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算零電容凈功率時(shí)刻；(3)零電容凈功率時(shí)刻的對(duì)應(yīng)功率、相位角即為PM RF APGD的有功功率、真實(shí)相位角。3.利用數(shù)值計(jì)算方法研究了有功功率DFT計(jì)算值的誤差,發(fā)現(xiàn)了不同負(fù)載類型、阻抗比、阻抗相位角對(duì)有功功率DFT計(jì)算值的誤差影響較小,而PM RF信號(hào)上升(下降)沿斜率對(duì)有功功率DFT計(jì)算值的誤差影響很大,有功功率DFT計(jì)算值誤差隨上升(下降)沿斜率增大而減小。在實(shí)驗(yàn)中,將光電倍增管采集的放電光強(qiáng)信號(hào)與DFT計(jì)算的PM RFAPGD有功功率比較,證實(shí)了有功功率計(jì)算方法的可行性。PM RF APGD擊穿特性1.提出了利用放電有功功率急劇增加處的拐點(diǎn)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(guān)斷時(shí)間對(duì)擊穿電壓的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在脈沖頻率較低時(shí),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(shí),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(guān)斷時(shí)間的變化行為表現(xiàn)出三個(gè)明顯不同的特征： (A)在脈沖關(guān)斷時(shí)問(wèn)大于10 ms的區(qū)域內(nèi),擊穿電壓隨關(guān)斷時(shí)間的降低僅稍微減�。� (B)在脈沖關(guān)斷時(shí)問(wèn)大于0.05 ms而小于10 ms的區(qū)域內(nèi),擊穿電壓隨脈沖關(guān)斷時(shí)間的減小而快速降低； (C)在脈沖關(guān)斷時(shí)間小于0.05 ms的區(qū)域內(nèi),擊穿電壓隨關(guān)斷時(shí)間的降低而緩慢減小2.研究了脈沖關(guān)斷時(shí)間對(duì)擊穿延遲時(shí)間的影響,研究發(fā)現(xiàn)擊穿延遲時(shí)間隨脈沖關(guān)斷時(shí)間的變化也呈現(xiàn)出三個(gè)明顯不同的特征：(Ⅰ)在長(zhǎng)脈沖關(guān)斷時(shí)間區(qū)間(大于4.56 s),擊穿延遲時(shí)間幾乎不變； (Ⅱ)在中等脈沖關(guān)斷時(shí)間區(qū)間(10 ms-4.56 s),擊穿延遲時(shí)間隨關(guān)斷時(shí)間減小快速降低； (Ⅲ)在短脈沖關(guān)斷時(shí)間區(qū)間(小于10 ms),擊穿延遲時(shí)間隨關(guān)斷時(shí)間降低而緩慢減小。根據(jù)擊穿電壓隨脈沖關(guān)斷時(shí)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(kuò)散損失機(jī)制。在不同脈沖關(guān)斷時(shí)間下改變放電氣體中氮?dú)猓瘹鍤獗壤?在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了氮原子在氧化鋁表面上的復(fù)合過(guò)程對(duì)擊穿延遲時(shí)間的影響。3.在大范圍關(guān)斷時(shí)間區(qū)域中,研究獲得了PM RF APGD擊穿段的發(fā)光特性： (1)在關(guān)斷時(shí)間大于50 ms的區(qū)域中,擊穿發(fā)生在隨機(jī)變化的局部位置； (2)在關(guān)斷時(shí)間為10ms-50 ms的區(qū)域中,隨機(jī)擊穿點(diǎn)的個(gè)數(shù)隨關(guān)斷時(shí)間減小而增加,隨機(jī)性減弱； (3)在關(guān)斷時(shí)間為0.05ms-10ms的區(qū)域中,擊穿為均勻輝光；(4)在關(guān)斷時(shí)間為0.04 ms-0.05ms的區(qū)域中,擊穿時(shí)斑圖與輝光共存； (5)在關(guān)斷時(shí)間小于0.04 ms的區(qū)域中,擊穿為斑圖。在擊穿之后,不同時(shí)間區(qū)域的放電形狀、大小隨時(shí)問(wèn)改變：當(dāng)關(guān)斷時(shí)間處于(1)或(2)特征區(qū)域時(shí),擊穿后的放電沿徑向跳躍性地向外擴(kuò)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(shí)間與脈沖關(guān)斷期間的種子電子擴(kuò)散有關(guān)；當(dāng)關(guān)斷時(shí)間處于(3)特征區(qū)域時(shí),種子電子在余暉階段的擴(kuò)散過(guò)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(dāng)關(guān)斷時(shí)間處于(4)或(5)特征區(qū)域時(shí),擊穿后的放電為斑圖-輝光共存或斑圖。4.在脈沖占空比不變的條件下研究了首次擊穿放電,實(shí)驗(yàn)表明擊穿電壓隨脈沖頻率的增加而提高,通過(guò)分析確定擊穿電壓與擊穿延遲時(shí)間之間的關(guān)系是造成這種變化的原因。三、PM RF APGD模式轉(zhuǎn)化首次在PM RF APGD中證實(shí)了α-γ模式轉(zhuǎn)變。與CW RF APGD的α-γ模式轉(zhuǎn)變相比,PM RF APGD的α-γ模式轉(zhuǎn)變電壓大于CW RF APGD的α-γ模式轉(zhuǎn)變電壓,且隨占空比的增加而減小。結(jié)合PM RF APGD氣體溫度、α-γ模式轉(zhuǎn)化臨界電壓隨占空比的變化特點(diǎn),討論、解釋了PM RF APGD的放電電流隨脈沖占空比的變化規(guī)律。采用高速相機(jī)研究了PM RF APGD勺時(shí)間演變,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)脈沖射頻電壓足夠高時(shí),在脈沖的上升段PM RF APGDs即經(jīng)歷了α-γ模式過(guò)程。四、PM RF APGD電壓、電流波形研究為了解釋復(fù)雜的PM RF APGD的脈沖波形,首先研究了CW RF APGD中正、負(fù)反饋效應(yīng),發(fā)現(xiàn)隨著放電功率的增加,正、負(fù)反饋區(qū)邊界對(duì)應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)電容值減小,采用放電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路模型研究分析了正、負(fù)反饋區(qū),由此研究了正、負(fù)反饋對(duì)脈沖電壓、電流波形、放電功率時(shí)間演化的影響。當(dāng)放電處于負(fù)反饋區(qū)時(shí),脈沖電壓、電流波形和放電功率在脈沖開(kāi)始階段出現(xiàn)尖峰；當(dāng)放電處于正反饋區(qū)時(shí),脈沖初始階段的尖峰消失。脈沖波形不僅與放電正、負(fù)反饋區(qū)有關(guān),還受脈沖調(diào)制射頻信號(hào)上升沿長(zhǎng)度、放電功率的影響。當(dāng)脈沖調(diào)制射頻信號(hào)上升沿長(zhǎng)度為5 ns時(shí),脈沖放電波形的演化過(guò)程較復(fù)雜,當(dāng)脈沖調(diào)制射頻信號(hào)上升沿長(zhǎng)度為15 μs時(shí),脈沖放電波形中的過(guò)沖、下沖減弱,對(duì)應(yīng)的波形演化過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)電容值接近正、負(fù)反饋區(qū)邊界對(duì)應(yīng)的電容值且放電功率較高時(shí),在一個(gè)脈沖內(nèi)放電由正反饋區(qū)進(jìn)入負(fù)反饋區(qū),在脈沖開(kāi)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(zhǎng)度和脈沖關(guān)斷時(shí)間有關(guān),當(dāng)脈沖上升沿長(zhǎng)度較短、關(guān)斷時(shí)間為中等值且PM RF APGD處于負(fù)反饋區(qū)時(shí),高放電功率下脈沖放電產(chǎn)生嚴(yán)重下沖,脈沖放電出現(xiàn)暫時(shí)熄滅、隨后二次擊穿的現(xiàn)象。另外還研究了射頻電壓、電流波形,發(fā)現(xiàn)擊穿放電后的射頻電壓、電流波形存在變形,電流波形的變形比電壓波形嚴(yán)重。DFT分析表明,波形中含有奇數(shù)倍的諧波成分。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O53;O461
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本文編號(hào)：1303317