介质阻挡放电-DBD

USTCABCDLab1等离子体的分类1、按等离子焰温度分：（1）高温等离子体：温度相当于108~109K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。（2）低温等离子体：热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103~105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。冷等离子体：电子温度高（103~104K）、气体温度低,如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。USTCABCDLab等离子体的分类•2、按等离子体所处的状态：（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。2USTCABCDLab低温等离子体的发生技术•直流辉光放电•低频放电等离子体•高频放电等离子体•非平衡大气压等离子体放电•介质阻挡放电3USTCABCDLab介质阻挡放电•介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上或悬挂在放电空间。这样当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体即使在很高的气压下，也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。•这种放电看似均匀稳定，但实际上它有大量细致的快脉冲放电通道,通常放电空间的气体压强为104Pa-105Pa或更高。4USTCABCDLab介质阻挡放电的电极结构5USTCABCDLab•在大气压下（105Pa），这种气体放电呈现微通道的放电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝构成。电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的。这种电流细丝也称为微放电。每个微放电的时间过程都非常短促，寿命不到10ns，而电流密度却很高。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈现明亮的斑点，大的可达几个毫米。USTCABCDLab7空气中微放电在介质表面斑点的照片USTCABCDLab介质阻挡放电的机制•当电极两端加上交流电压时，在半个周期内，可以认为是直流放电。在第一个电子雪崩通过放电间隙的过程中出现了相当数量的空间电荷。他们聚集在雪崩头部。8由于电子运动速度快，电子集中在雪崩的球状头部，正离子滞后于电子而在雪崩的后部。这样就产生了一个自感电场叠加在外电场上，同时对电子产生影响。USTCABCDLab介质阻挡放电的机制9•这个电场将会向阴极传播。在传播过程中原子和分子得到进一步的电离，并激励起向阴极传播的电子反向波。这样一个导电通道能非常快的通过放电间隙而造成气体的击穿。•当气体被击穿，导电通道建立后，空间电荷在放电间隙间输送，并积累在介质上。这时介质表面电荷将建立起电场，直到将原来的外加电场削弱为零，以至于中断了放电电流。USTCABCDLab介质阻挡放电的宏观特点：(1)放电是交流放电，没有直流导电通道(2)放电形态是分布于放电空间内，不会局域于某个放电通道上，形成类似于辉光的状态。弥漫、稳定、无声。早期称为无声放电(3)放电分布于介质外围的放电空间内。(4)很大的气压范围内都可以发生。辉光放电只是在低气压下发生，高气压下是火花、电晕或电弧状态(5)介质的存在阻断了击穿通道（流光击穿通道）的形成，不能形成火花或者电弧。USTCABCDLab介质阻挡放电的应用11介质阻挡放电（DBD）能够在大气压下产生大体积、高能量密度的低温等离子体，不需要真空设备就能在室温或接近室温条件下获得化学反应所需的活性粒子。广泛应用于臭氧发生和DBD等离子体材料表面改性等方面。USTCABCDLab介质阻挡放电的条件：(1)交流电压产生交流电场，50Hz—1MHz(2)气压范围宽阔0.1atm-10atm.(3)放电间隙通常不大，看似仍然服从帕邢定律介质阻挡放电的形态：(1)虽然宏观看似均匀，实际上是大量微小的流光放电状态。(2)微小放电是脉冲的，持续时间为10ns一下。认定为流光.(3)微放电脉冲在空间是均匀分布的，有时出现规则分布，斑图现象(4)微放电的尺寸为0.1mm以下，电流密度很大100-1000A/cm2,这也是判定为流光放电的依据之一。(5)微放电在电极表面扩展为几个mm的表面放电。USTCABCDLab微放电的伏安特性（1）微放电电流表现为大量电流脉冲（2）正负放电半周内均出现放电。（3）存在击穿阈值（4）通常情况下，电流脉冲的出现不是均匀的，电流大小也是随机的（5）正负半周的微放电不是对称的。USTCABCDLab微放电的时间特性;(1)持续时间很短，ns级。与气体种类有关(2)电流脉冲的幅度也是不同的。(3)脉冲的上升和下降行为不同。也与气体种类有关USTCABCDLab为什么出现介质阻挡放电形式？（1）高气压下，击穿通道很集中，局部密度很高，产生不稳定（重复性不高，发生位置不稳定）和空间不均匀。（2）抑制流光放电的途径：截断流光通道（3）电极因素很重要，电极发热消耗功率很大。（4）高频条件下，击穿条件温和。（5）介质层的分割，可以实现不同气体的同时放电。（6）极端不平衡放电：脉冲放电特性所决定。USTCABCDLab介质阻挡放电空间的电场分布如图所示的放电位型，两层介质和一层气体间隙，介质层厚度为ld,气体间隙为lg采用平行板电场近似，介质内和气体隙内的电感应强度是连续的gggdddEDEDUSTCABCDLab如果施加的电压为VggddElElV2gddggdllVE2gddgdgllVE2例子：空气中，ld=0.3cm,lg=0.4cm,施加的电压为25kV,介电系数分别为1和4cmkVEd/4.11cmkVEg/4.45cmkVEc/30cmkVE/25EEEcg空气间隙会发生击穿USTCABCDLab击穿之后，介质层表面充电，气体隙的电场迅速减弱。如果空气隙电场将为零，那么介质层内的电场强度为cmkVEd/7.41可见介质阻挡放电的电流是靠介质层上的位移电流维持的。介质阻挡放电的等效电路USTCABCDLab介质阻挡放电的放电电压放电电压就是放电击穿过程中，气体间隙上的电压。未击穿时，气体间隙上的电压正比于外加电压而变化。击穿之后，由于介质表面的充电效应，使得气体间隙的电压变化减小。当放电间隙上的电压VgVb,不发生放电现象。VlllVgddggdg2当放电间隙上的电压Vg=Vb,发生放电现象，有微放电电流。如果放电电流够大，放电一直持续到达到外加电压峰值，在整个放电过程中，Vg基本保持不变。USTCABCDLabgdVVV2gdiiidtdVCiddd)(tidtdVCicgggdgVVV2dtVVdCdtdVCigdddd2)(dtdVCdtdVCtidtdVCgddgg22)()(2)2(tidtdVCdtdVCCdgdg这便是放电过程中气体间隙上的电压变化USTCABCDLab如果0dtdVg那么0)(2)2(tidtdVCdtdVCCdgdg)(2tidtdVCd放电电流几乎等于介质层的充电电流USTCABCDLab)(2)2(tidtdVCdtdVCCdgdgbttdgttdgdgVdtCCtidtdttdVCCCtV002/)()(2)(bdggdgdVllltV2)(0t=t0时，Vg=VbdtCCtiVCCCVdtCCtitVVCCCtVttdgdgdttdgdgdg002/)(22/)())((2)(0USTCABCDLab功率消耗发生在发电发生的过程中，即气体间隙中。方便起见，设外电压是正弦变化的交流电，放电过程中气体上电压不变。根据伏安曲线可以计算平均功率。如图所示：放电发生在阴影所示的时间段内。气体间隙电压在放电击穿后维持不变，而且放电电流也远大于位移电流。USTCABCDLab放电持续时间内，由于击穿导电，有电荷输过放电间隙。电场对这些电荷所做的功就是放电消耗的有功功率。QVWbVCQdV是放电阶段介质部分的电容的充电量t0是上周期放电结束之时t1是本周期放电开始处t2是本周期放电结束时t1-t2是放电持续时间t0-t1是电容充电时间USTCABCDLab半个周期内，介质部分的总充电量为)(2)(20bpdVVCttQ半个周期内的总充电量一部分是在介质表面分布的，一部分是用于改变气体间隙内的电场。在未放电阶段，介质部分也在充电，此时气体间隙部分同样也在充电，而且充电量相同，因为是电容串联。放电击穿阶段内，气体间隙内电场不变，介质部分的充电有放电输运的电荷实现。bgVCttQ2)(10半个周期内，放电击穿传导的电量为bgbpdVCVVCttQttQttQ2)(2)()()(102021USTCABCDLab半个周期内，放电电场所做的功为bbgbpdbVVCVVCttQVW])([2)(21一个周期内，放电电场所做的功为半周期的两倍，因为正负半周期的放电是相似的，只是电场变向bbgbpdbTVVCVVCttQVW])([4)(221bbdgdpdbbgbpdbVVCCCVfCVVCVVCfttQfVP)(4])([4)(221USTCABCDLab考虑到串联电容电路的特点bbdgdVVVCCC)1(*V*是放电开始时刻的外加电压值，是电容比**)(114VVVfCPpd放电功率的分析：1，放电位型确定，功率与频率乘正比，与放电面积成正比2，击穿电压和峰值电压是决定放电功率的主要因素USTCABCDLab)(2)(20bpdVVCttQ引入放电间隙内的平均电流强度)(4)(42/)(20bpdbpdVVfCTVVCTttQI放电间隙内的平均位移电流强度VfCTVCTttQIgbg442/)(100bbbgbpdVIIVVCVVCfP)(])([40USTCABCDLab上述分析是在比较简单情况下进行的，如果放电击穿阶段，气体间隙电压也是变化的，那么怎么处理呢？一个周期内的放电做功如下：TgdQVW0如果能够得到放电气体间隙上的电压与放电量的关系曲线，那么一个周期内的放电做功就是这条曲线围成的面积。这条曲线就是介质阻挡放电的李撒如图形其实测量放电间隙电压和放电电量，是不容易的。可以测量放电外加电压与回路电荷量的关系，即总放电李撒如图形。这个李撒如图形的面积与前述李撒如图形的面积应该是相同的USTCABCDLabTgTgTgggTgggTTggddTgdTdttiVdttiVdtdtdVCVdttidtdVCVdttiVdtiVdttiVVdttitVW00000000000)()())((0)()()()()(放电电路的伏安曲线形成的李撒如图形包围的面积等于气体间隙的伏安曲线形成的李撒如图形包围的面积。测量放电电路的李撒如图形就可以计算放电的有功功率USTCABCDLab介质阻挡放电的李撒如图形对于低频介质阻挡放电，利用简化的放电伏安特性曲线，得到了计算放电有功功率的方法。其实在一般情况下，伏安特性曲线是复杂的，必须针对伏安特性进行积分才能计算有功功率，这样必须首先实验测定伏安曲线。因为无法直接依据理论分析得到可靠的伏安特性。利用放电回路的李撒如图形也是计算有功功率的有效方法。但前提也是必须首先实验得到李撒如图形。1.所谓李撒如图形，就是两个周期性的物理量的时间变化之间的相关性图2.介质阻挡放电的李撒如图形是放电电压与电路流过的电荷量之间的相关性。3.电压变化和电荷量变化是同频率的，因此李撒如图形是单区域的。USTCABCDLab测量李撒如图形的方法加入了一个测量电容Cm，测量回路流过的电荷在电容上积累)()(tVCtQmmdttVCtImm)()(USTCABCDLab放电功率为TmmTTTmmVdVfCVdQfVd