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Abstract
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Direct current pulsed discharge is a promising route for producing high-density metastable particles required for optically pumped rare gas lasers (OPRGLs). Such metastable densities are easily realized in small discharge volumes at near atmospheric pressures, but problems appear when one is trying to achieve a large volume of plasma for high-power output. In this work, we examined the volume scalability of high-density metastable argon atoms by segmented discharge configuration. Two discharge zones attached with peaking capacitors were connected parallelly by thin wires, through which the peaking capacitors were charged and of which the inductance functioned as ballasting impendence to prevent discharging in only one zone. A uniform and dense plasma with the peak value of the number densities of Ar (1s5) on the order of was readily achieved. The results demonstrated the feasibility of using segmented discharge for OPRGL development.
rare gas laser pulsed discharge plasma application Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031408
强激光与粒子束
2021, 33(6): 065002
华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074
氧气是石墨电极气体开关中必不可少的组分，用于氧化石墨电极在高温电弧冲击下形成的石墨蒸汽，防止熄弧后石墨蒸汽凝华成固体粉末给开关带来绝缘危害。为提高石墨蒸汽的氧化比例，研究了背景气体组分和氧气浓度对石墨氧化反应的影响，选取3种气体N2，Ar，He作为背景气体，研究不同气氛电弧的氧化反应特征；在传统的类空气气体（80%的N2＋20%的O2）的基础上，提高氧气浓度至40%和60%，研究氧气浓度对碳质氧化比例的改善作用。基于不同气体组分的热力学参数和输运系数，通过电弧磁流体动力学计算模型得到开关温度特征，将电弧与电极界面的热流强度作为石墨电极质量损失速率的评估依据。实验结果表明，随着氧气浓度的升高，石墨蒸汽的氧化比例逐步提高，但当氧气浓度高于40%时，存在电弧引燃石墨电极的风险。当氧气浓度恒定20%时，以Ar作为背景气体时石墨电极质量损失速率较小，且碳蒸汽在电弧中氧化更加充分。因此，相比于传统的开关气体介质，将背景气体替换为Ar或将氧气浓度提高至约40%均能提升碳氧反应效率，降低开关中的杂质残余量。
气体开关 脉冲放电 石墨电极 电弧温度 碳氧反应 spark gap switch pulsed discharge graphite electrode arc temperature carbon-oxygen reaction 强激光与粒子束
2021, 33(6): 065015
大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
提出了一种阵列式线-线沿面介质阻挡放电结构, 利用双极性高压纳秒脉冲电源, 在大气压空气中激励产生了相对大面积的放电等离子体。 其中, 高压电极、 地电极均为圆柱形金属, 放电反应器由20组相间排列的阵列式线型高压电极和套有介质管的阵列式线型地电极组成。 利用电压探头、 电流探头、 示波器等测量了放电电压和放电总电流, 并计算得出了放电的实际电流。 利用光纤、 光栅光谱仪、 CCD等测量了波长范围在300～440 nm和766～778 nm的发射光谱, 即氮分子第二正带N2 (C3Πu→B3Πg)包括Δν= +1, 0, -1, -2, -3、 氮分子离子第一负带N+2(B2Σ+u→X2Σ+g), N2 (B3Πg→A3Σ+u)和O (3p5P→3s5S2)的发射光谱。 比较了氮分子第二正带N2 (C3Πu→B3Πg)的各个振动峰和各个活性物种的发射光谱强度, 以及这些发射光谱强度随着脉冲峰值电压的变化。 测量了N2(C3Πu→B3Πg, 0-0)的二次、 三次衍射光谱, 与原始光谱在转动带、 背景光谱等方面进行了比较, 并计算了二次衍射和原始光谱之间的峰值比。 利用氮分子第二正带N2 (C3Πu→B3Πg, Δν=+1, 0, -1, -2)和氮分子离子第一负带N+2 (B2Σ+u→X2Σ+g, 0-0)模拟了等离子体的转动温度和振动温度, 对模拟结果进行了比较, 并研究了脉冲峰值电压对等离子体振动温度和转动温度的影响。 通过测量放电的电压和计算得到的放电电流发现, 当脉冲峰值电压为22 kV, 脉冲重复频率为150 Hz时, 阵列式线-线沿面介质阻挡放电的放电电流在正脉冲、 负脉冲两个方向上均可达75 A左右。 通过诊断放电等离子体的发射光谱发现, 在测量的波长范围内, 放电产生的活性物种主要有氮分子第二正带N2 (C3Πu→B3Πg)、 氮分子离子第一负带N+2(B2Σ+u→X2Σ+g), N2 (B3Πg→A3Σ+u)和O (3p5P→3s5S2)。 在脉冲峰值电压22～36 kV的变化范围内, 氮分子第二正带N2(C3Πu→B3Πg, 0-0)的发射光谱强度始终保持最强, N2 (B3Πg→A3Σ+u)次之, 而氮分子离子第一负带N+2(B2Σ+u→X2Σ+g)和O (3p5P→3s5S2)的发射光谱强度较弱。 同时, 当脉冲峰值电压升高时, 氮分子第二正带N2 (C3Πu→B3Πg)的所有振动峰, 以及氮分子离子第一负带N+2(B2Σ+u→X2Σ+g), N2 (B3Πg→A3Σ+u)和O (3p5P→3s5S2)的发射光谱强度均随之升高。 通过比较氮分子第二正带N2(C3Πu→B3Πg, 0-0)的原始、 二次衍射、 三次衍射光谱发现, 二次、 三次衍射光谱的转动带更清晰, 但三次衍射光谱的背景更强, 因此氮分子第二正带N2(C3Πu→B3Πg)的二次衍射光谱更有利于模拟等离子体的转动温度。 通过比较模拟得到的振动温度和转动温度发现, 氮分子第二正带N2 (C3Πu→B3Πg, Δν=-2)在N2 (C3Πu→B3Πg)四个谱带Δν=+1, 0, -1, -2中最适于模拟等离子体振动温度, 而利用氮分子离子第一负带N+2 (B2Σ+u→X2Σ+g,0-0)模拟得到的等离子体转动温度要比N2 (C3Πu→B3Πg, Δν=-2)的模拟结果高约10～15 K。 同时, 当脉冲峰值电压升高时, 由N2 (C3Πu→B3Πg, Δν=-2)和N+2 (B2Σ+u→X2Σ+g, 0-0)模拟得到等离子体的转动温度均出现了略微上升的趋势, 而利用N2 (C3Πu→B3Πg, Δν=-2)模拟得出的振动温度则略微下降。
沿面介质阻挡放电 大气压放电 纳秒脉冲放电 发射光谱 Surface dielectric barrier discharge Atmospheric discharge Nanosecond pulsed discharge Optical emission spectra 光谱学与光谱分析
2019, 39(4): 1236
河北大学物理科学与技术学院， 河北省光电信息材料重点实验室， 河北 保定 071002
采用微间隙平行平板介质阻挡放电（DBD）装置， 以氩气作为工作气体， 研究了锯齿波激励下DBD的放电图像、 发光信号、 发射光谱与锯齿波频率的关系。 研究发现随锯齿波频率增加， DBD会从均匀模式（低于10 kHz）， 经历微放电丝与均匀放电共存， 并最终过渡到微放电丝占据全部的电极区（频率高于35 kHz）。 外加电压和发光波形表明， 锯齿波频率较低时的均匀放电对应高占空比的阶梯放电。 随频率增大， 出现微放电丝后， 发光波形呈现多脉冲形式， 且电压半周期中的发光脉冲个数随着锯齿波频率的增大而减小。 当锯齿波频率高于35 kHz时， 每半个电压周期的发光脉冲个数减小为一个（单脉冲放电）。 通过对放电的发射光谱进行研究， 发现发射光谱中包含氮分子的第二正带系（C3Πu→B3Πu）， OH（A2Σ+→X2Π）和ArI的特征谱线。 研究表明OH（3088 nm）和ArI（7504 nm）的谱线强度均随锯齿波频率的增大而增大。
发射光谱 介质阻挡放电 阶梯放电 脉冲放电 Optical emission spectrum Dielectric barrier discharge Stepped discharge Pulsed discharge 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1380
付荣耀 1,2,3,*孙鹞鸿 1,2,3刘坤 1,2,3高迎慧 2,3[ ... ]严萍 1,2,3
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
3 中国科学院 电工研究所, 电力电子与电气驱动重点实验室, 北京 100190
在20 kV/40 kJ的重复频率压裂系统实验平台上，对大水泥岩样进行了电脉冲水中放电压裂实验。为了模拟井下实际工况，实验时将放电电极装入带有射孔的绝缘套管。水中脉冲放电时岩样中产生定向冲击压力波，冲击波作用于岩层使其产生裂缝。实验结果表明，冲击波通过绝缘套管作用于岩样时有一定的能量损失，部分冲击波压力会施加于绝缘套管，绝缘套管在整个实验期间没有发生形变，电脉冲放电对套管损伤作用极小，重复压裂冲击波会通过射孔在岩样上形成一定规模的微裂缝。去掉绝缘套管后，裸电极作用于岩样造缝效果会更好，裂缝明显的呈现对称规则。
重复频率 脉冲放电 压裂 绝缘套管 冲击波 repetition rate pulsed discharge fracture insulating sleeve shockwave 强激光与粒子束
2018, 30(4): 045007
1 江苏大学环境与安全工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏高校水处理技术与材料协同创新中心, 江苏 苏州215009
基于发射光谱检测方法的优越性以及在高级氧化降解体系中·OH和·O的重要作用, 本研究采用发射光谱检测技术测定载氧环境下脉冲放电等离子体（pulsed discharge plasma, PDP）修复污染土壤体系中·OH和·O相对发射光谱强度的变化。 研究建立了针-网式PDP修复污染土壤体系, 利用光谱仪检测该PDP体系在载氧环境下所生成的·OH和·O的相对发射光谱强度。 通过对比实验分别考察了不添加土壤、 添加原土、 添加有机污染土壤和添加有机-重金属复合污染土壤的PDP体系中·OH和·O的相对发射光谱强度变化, 同时考察了脉冲峰值电压、 电极间距和O2体积流量变化对·OH和·O的相对发射光谱强度的影响。 研究结果表明: 添加土壤有利于放电的发生, 进而提高了PDP体系中·OH和·O的生成; 添加有机污染土壤的PDP体系中·OH和·O发射光谱强度较原土体系中低, 证明了PDP体系中·OH和·O对有机物的氧化作用; 重金属离子的加入对于PDP体系中有机物的降解有积极的促进作用。 同时, 脉冲峰值电压和O2体积流量的增加有利于PDP体系中·OH和·O的产生, 而电极间距的增加不利于PDP修复污染土壤体系中·OH和·O的生成。 本研究在说明PDP用于污染土壤修复体系中·OH和·O的关键作用的基础上, 分析了PDP用于污染土壤修复过程中体系主要因素变化对体系中主要自由基含量的影响规律。
脉冲放电等离子体 修复污染土壤 光谱分析 Pulsed discharge plasma Remediation of the polluted soil ·OH ·OH ·O ·O Spectrum analysis
1 江苏大学环境与安全工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏高校水处理技术与材料协同创新中心, 江苏 苏州 215009
3 中国石油兰州化工研究中心, 甘肃 兰州 730060
基于OH自由基的强氧化性（2.8 V）及脉冲放电等离子体（pulsed discharge plasma, PDP）与活性炭（activated carbon, AC）联合体系的协同作用, 依托于光谱检测技术简单、 准确性高、 灵敏度高等优点, 利用发射光谱技术测量了以O2作为载气的PDP/AC联合体系中产生的OH自由基的相对发射光谱, 用以表征体系中OH自由基相对生成量的变化。 通过考察PDP水处理体系中不同AC添加量、 脉冲峰值电压、 电极间距对OH自由基相对发射光谱强度的影响, 分析了影响OH自由基生成量的因素； 通过比较, 分析去离子水和酸性橙II（acid orange, AO7）溶液中OH自由基发射光谱强度的变化规律, 表征了OH自由基生成量的变化, 以说明PDP/AC的协同作用机理及OH自由基对有机物的氧化作用。 研究结果表明, 增加AC的添加量可以增强其在PDP体系中的催化效果, 导致PDP/AC联合体系中OH自由基的相对发射光谱强度的增加； 随着脉冲峰值电压的升高, 注入PDP体系中的能量增加, 从而增加了体系中OH自由基的产量； 电极间距增加导致PDP体系能量效率降低, 降低了OH自由基的产生量； 无论是以去离子水还是以AO7溶液为溶液相, PDP/AC联合体系中OH自由基的产量均高于其在单独PDP体系中的生成量, 且在PDP/AC联合体系和单独的PDP作用体系中, 去离子水中OH自由基的相对发射光谱强度均高于其在AO7溶液中的强度值, 这证明了AC对PDP体系中OH自由基生成的协同作用和有机物对OH自由基的消耗。
脉冲放电等离子体 活性炭 协同作用 OH自由基 发射光谱分析 Pulsed discharge plasma Activated carbon Synergistic effect OH radicals Emission spectrometric analysis 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 4135
1 西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室, 西安 710049
2 西安贯通能源科技有限公司, 西安 710068
介绍了复合电热化学法产生冲击波的机理和冲击波改善储层物性的机制; 给出了脉冲大电流引爆含能材料弹丸的结构和典型的放电参数,开展了冲击波致裂储层的实验研究; 检测了样品在冲击作用下的动态应变及影响储层解吸附特性的关键参数(包括孔隙度、渗透率、抗拉、抗压强度等),并在实验前后进行了测量和对比。研究表明,电热化学法产生的冲击波可在圆柱形砂岩样品上产生幅值为1000με~1500με的应变量,使砂岩出现了宏观裂缝; 样品平均孔隙度由15.24%增至15.62%,平均渗透率由1.749 09×10-3 μm2增至2.467 08×10-3 μm2; 抗压、抗拉和抗剪强度均下降了约30%。
脉冲放电 含能材料 等离子体引爆 冲击波 物性参数 储层改造 pulsed discharge energetic materials plasma-ignited explosion shock wave petrophysical parameters reservoir transformation 强激光与粒子束
2016, 28(4): 049001
华中科技大学 武汉光电国家实验室, 武汉 430074
为了降低用于脉冲气体激光器的全固态磁压缩放电电路的放电延时抖动, 采用PSPICE软件对全固态磁压缩激励电路进行仿真分析, 完成了对充电、磁开关复位以及整个放电过程的初步模拟。模拟结果显示, 初始储能电容电压1V的波动会引起放电时间5ns~10ns的抖动, 抖动时间随着充电电压的升高而降低; 通过采用特制的两级耦合复位回路来降低放电延时抖动, 该复位电路可将放电抖动从微秒量级降低到纳秒量级。结果表明, 降低抖动的关键因素在于充电过程中高频交流纹波经复位电路耦合将磁芯复位到一稳定状态, 使磁开关、可饱和脉冲变压器的工作状态更加稳定。建立的仿真模型, 对低放电抖动的脉冲放电激励电路设计可提供参考。
激光技术 脉冲放电 磁开关 放电抖动 PSPICE仿真 laser technique pulsed discharge magnetic switch discharge jitter PSPICE simulation
