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
Trichel脉冲放电为电晕放电中一种常见的不稳定现象。 为了进一步揭示Trichel脉冲的放电特性和放电机理, 本文利用针板放电结构, 在气压为600 Pa的空气环境下研究了Trichel脉冲放电的光学特性。 在平均电流为20～300 μA范围内, 放电分为Trichel脉冲放电模式和正常辉光放电模式。 在Trichel脉冲放电模式下, 平均极间电压随着平均电流的增高而降低； 正常辉光放电模式下, 平均极间电压随平均电流的增高基本保持不变。 实验拍摄并得到了不同平均电流时的发光图像, 从阴极针尖到阳极平板区域分为负辉区、 法拉第暗区、 正柱区和阳极辉区。 随着平均电流的增加, 负辉区、 正柱区以及阳极表面的发光增强, 负辉区体积基本保持不变, 法拉第暗区长度逐渐增加, 正柱区长度逐渐缩小。 在Trichel脉冲消失时, 负辉区发光向阴极针尖收缩, 正柱区向阳极板贴近, 并且两个区域发光明显增强。 利用光谱仪在300～800 nm波长范围内测量得到了不同平均电流时的发射光谱。 其中在300～450 nm波长范围内的发射光谱强度较高, 为氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg)和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+u→X2Σ+g）； 在650～800 nm附近发射光谱较弱, 为氮分子的第一正带发射谱（B3Πg→A3Σ+u）。 在此基础上, 根据N2(C3Пu→B3Пg )第二正带系发射光谱拟合得到了不同平均电流时氮分子的振动和转动温度。 结果表明, 分子振动温度和转动温度均随平均电流的增加而增加, 分子振动温度在3 900～4 500 K, 分子转动温度在430～450 K。 同时利用氮分子离子谱线391.4 nm和氮分子第二正带系谱线394.2 nm强度比计算得到了不同平均电流时的电场强度。 随着平均电流的增加, 电场强度升高, 在145～200 kV·m-1范围。 当Trichel脉冲消失时, 针尖附近分子振动温度和电场强度出现较为明显的升高。 此现象表明针尖附近的电子能量和电子密度随着脉冲的消失也出现了明显的升高。
Trichel脉冲放电 发射光谱 分子振动温度 电场强度 Trichel pulse discharge Emission spectra Molecular vibrational temperature Electric field 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3041
华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074
气体开关电弧的热侵蚀作用是电极损耗的主要成因。石墨电极在电弧作用下发生蒸发并在多次放电后有明显的质量损耗，改变了开关内的气体环境和电极间距，导致开关动作可靠性降低。为研究石墨电极在脉冲电弧冲击下的侵蚀特征，基于开关电弧瞬态扩散特征和石墨材料参数，在弧根区域建立了电弧-电极能量耦合模型，得到了等离子体-固体区域的传热特性。考虑石墨电极的相变特征，计算瞬态热作用下石墨电极的加热范围以及临界相变点，研究瞬态电弧热冲击作用下的石墨电极相变机制。研究结果表明，电弧-电极界面热流主要集中在电弧接触面中心，电弧沉积的能量密度最高可达109 W/m2，石墨在电流上升初期基本处于加热状态，在能量积聚作用下，石墨转变为升华状态，传热强度随半径急剧衰减，蒸发区域略小于电弧半径。通过实验记录了5种开关工况下石墨电极烧蚀形貌和质量损失情况，结果表明，电极质量损失与电弧沉积在电极表面的能量线性相关，近似为0.015 mg/J。研究了电弧关键参数对电极质量损失速率的影响，为延缓电极损耗提供数据支撑。
脉冲放电 气体开关 石墨电极 开关电弧 电极烧蚀 pulse discharge spark-gap switch graphite electrode switching arc electrode erosion 强激光与粒子束
2022, 34(7): 075003
强激光与粒子束
2021, 33(11): 115001
1 盐城工学院信息工程学院, 江苏 盐城 224051
3 盐城工学院汽车工程学院, 江苏 盐城 224051
采用了一种针对针的放电结构, 将其放置在一个高纯氩气的密闭腔室中, 通过施加正极性的过电压产生可重复的大气压纳秒脉冲放电, 并提出建立大气压放电的连续辐射模型来诊断氩气纳秒脉冲放电中的电子温度。 实验利用电压和电流探头分别获取放电过程中的电压和电流波形图, 其放电脉宽约为20 ns。 通过消色差透镜、 单色仪和ICCD等光学系统的组合来测量放电正柱区在不同时刻(0<t<20 ns)的时间分辨发射光谱。 结果表明, 放电中连续谱的强度随时间先增加(0<t<10 ns)后减小(10 ns<t<20 ns), 但是氩原子的谱线强度则随时间的增加而一直增大。 研究表明连续谱强度与电子密度成正相关, 因而电子密度随着时间也是先增加而后减小, 这与放电电流的变化规律是完全一致的。 根据连续谱模型拟合得到放电过程中(0<t<10 ns)的电子温度为(1.4±0.2) eV。 随着驱动电压的下降(10 ns<t<20 ns), 电子温度逐步减小至0.9 eV。 在0<t<10 ns中, 激发态氩原子主要是由电子碰撞激发产生的, 因而谱线强度随着电子密度的增加而增大。 然后, 随着电子温度的减小, ${Ar_{2}}^{+}$复合反应速率激增, 导致电子与离子的复合过程主导产生激发态氩原子, 即谱线强度继续增大。 通过加入0.5%的水蒸气以获取OH的振转光谱。 实验发现, OH(A)的产生机制使其偏离玻尔兹曼平衡分布, 本文采用了双温的OH(A-X)光谱模型来考察气体温度。 在放电过程中, 气体温度保持不变, 大约为400 K。 此外, 水蒸气的加入使得短波长的连续谱发生显著增强。 光谱分析认为H2O在放电中能够解离产生H2, 继而与氩原子的亚稳态发生能量转移生成激发态H2($a^{3} \sum^{+}_{g}$)。 H2($a^{3} \sum^{+}_{g}$)将会自发辐射跃迁到排除态H2($b^{3} \sum^{+}_{u}$), 同时发射短波长的连续谱。 由于短波长的连续谱对电子温度(Te>1 eV)的响应较为灵敏, 所以载气中少量的水蒸气将会对连续谱诊断电子温度带来较大的影响。
大气压放电 发射光谱 纳秒脉冲放电 电子温度 连续谱 Atmospheric pressure discharges Optical emission spectroscopy Nanosecond pulsed discharges Electron temperature Continuum radiation 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2337
强激光与粒子束
2021, 33(6): 065002
强激光与粒子束
2021, 33(6): 065005
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
