放電系統(tǒng)諧振特性的研究

林靖松，齊宏松，于潭學(xué)，張 昕，霍偉剛*

(1.遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029；2.中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院，廣東 廣州 510010)

大氣壓介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)不需要昂貴的真空系統(tǒng)，可在常溫下產(chǎn)生高能量、高密度的等離子體，被廣泛應(yīng)用于污染治理、殺菌消毒、醫(yī)療美容等各個領(lǐng)域[1-5]。等離子體中活性粒子密度是影響DBD應(yīng)用的重要參量，與DBD放電強度密切相關(guān)。如何提高DBD的放電強度成為近年來的研究熱點。

放電功率是影響DBD放電強度的重要參量，是電極電壓和電源頻率的冪函數(shù)[6-8]。隨電極電壓和電源頻率的增加，放電功率增加。實際上，上述規(guī)律只有在適當?shù)念l率范圍內(nèi)才成立的。在此頻率范圍之外，放電功率隨電源頻率升高反而降低。放電功率隨電源頻率的反常變化通常是因為DBD放電系統(tǒng)的諧振。具有諧振特性的DBD放電系統(tǒng)有特定的諧振頻率。DBD放電系統(tǒng)的諧振頻率與電極電壓(功率)、電源頻率、氣體流速等放電參數(shù)密切相關(guān)[9-11]。諧振頻率的變化意味著DBD放電系統(tǒng)的阻抗匹配是高度不穩(wěn)定的，導(dǎo)致放電不穩(wěn)定。因此研究DBD放電系統(tǒng)諧振很有意義。針對DBD放電系統(tǒng)諧振特性研究主要集中在電極電壓和氣體流速等方面，放電模式、氣隙間距和氣體種類等對DBD放電系統(tǒng)諧振影響的研究較少。

本文首先測量了不同電極電壓下的DBD 放電電流諧振曲線，證實了 DBD 放電系統(tǒng)具有并聯(lián)諧振特性。研究了不同放電模式、電極間隙和氬氣含量下放電電流諧振曲線。解釋了放電電流諧振曲線的變化規(guī)律。

1 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示。型號為TLP2040的高壓電源(輸出電壓峰值：調(diào)節(jié)范圍為0～40 KHz，最大輸出功率：1 kW，頻率：40 Hz～20 KHz)輸出交流高壓，施加到DBD放電驅(qū)動電極(上電極)產(chǎn)生等離子體。下電極接地。等離子體在兩個直徑為40 mm紫銅圓形電極之間產(chǎn)生，每個電極表面覆蓋一層厚度為0.5 mm、直徑為50 mm、相對介電常數(shù)為9.8的陶瓷片。整個放電單元密封于一個自制的長為400 mm、寬為300 mm、高為200 mm的亞克力板密封箱。99.999%的氬氣和99.999%的氦氣(99.999%)分別經(jīng)過減壓閥、質(zhì)量流量控制器(型號：D07-7B，量程100 sccm和型號：D08-2F，量程，500 sccm)和氣體混和器，通入到密封有機玻璃箱中。密閉箱的另一側(cè)安裝了出氣閥門，保證密閉箱內(nèi)氣壓為一個大氣壓。

圖1 實驗裝置示意圖

利用美國泰克公司生產(chǎn)的P6015A型號高壓探頭(輸入阻抗：100 MΩ/3 pF，帶寬：0～75 mHz)和美國皮爾遜公司生產(chǎn)的電流探頭(輸入阻抗：50，帶寬：150 Hz～18 MHz，最大電流峰值：1 000 A，輸出靈敏度：0.5 V/A)采集電極電壓(Ve)和放電電流(Id)。利用美國泰克公司生產(chǎn)的DPO4054B型號的示波器(四通道，輸入阻抗：1MΩ/50 Ω，帶寬：500 MHz，通道最高采集率：5 GS/s，最大記錄長度：20 M)記錄Ve和Id。采用尼康公司D90數(shù)碼相機拍攝放電照片。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 DBD放電系統(tǒng)的諧振特性

在某個特定頻率的外加電源作用下，同時含有電感元件和電容元件的二階或多階電 路呈純電阻性或接近于純電阻性的現(xiàn)象稱之為諧振。DBD放電系統(tǒng)包括電容，電感和電阻等元件，因此DBD放電系統(tǒng)也存在諧振現(xiàn)象。

圖2是DBD放電電流脈沖串。實驗條件是：電極間隙0.16 cm，氬氣流量100 sccm，電極電壓1.66 kV，電源頻率8.49 kHz。在同樣的實驗條件下，電流脈沖幅值，脈沖個數(shù)，脈沖出現(xiàn)的位置是隨機變化的。在半個電壓周期內(nèi)，出現(xiàn)多個放電電流脈沖。正向電流脈沖幅值和負向電流脈沖幅值大小，個數(shù)都是隨機的，放電電流脈沖呈現(xiàn)多峰特征(見圖2的內(nèi)插圖)。

內(nèi)插圖為一個電壓周期的放電電流

電極電壓固定為1.66 kV，測量DBD放電電流隨頻率變化曲線，即DBD放電系統(tǒng)的電流諧振曲線(見圖3)。需要說明的是，圖3中的電流是最大電流脈沖幅值的統(tǒng)計值。具體統(tǒng)計過程如下：待氬氣放電穩(wěn)定后，利用數(shù)字存儲示波器存儲200個電極電壓周期內(nèi)的放電電流，利用自編程序統(tǒng)計最大正、負電流脈沖幅值。從圖3可以看出：隨著電源頻率的增加，電流幅值呈減小-增加的趨勢。DBD放電系統(tǒng)的電流諧振曲線表現(xiàn)出典型的RLC并聯(lián)諧振特征。這與文獻10描述的DBD放電系統(tǒng)呈現(xiàn)的串聯(lián)諧振特性不同，造成這種不同的原因可能是電源結(jié)構(gòu)不同。在電源頻率為9.73 kHz時，電流幅值降低到最小(6.1 mA)。圖3中最小值點對應(yīng)的頻率和電流分別是諧振頻率和諧振電流。

f/kHz

2.2 放電模式對諧振特性的影響

大氣壓千赫茲DBD放電通常出現(xiàn)絲狀放電模式，自組織斑圖模式和均勻放電模式。DBD模式不僅與電極電壓，放電氣體等[12]相關(guān)，還與電源頻率有關(guān)。圖4是不同電源頻率下的DBD放電照片，相機曝光時間為10 ms。

(a) 1.35 V

圖4(a)中a1-a5對應(yīng)的電源頻率分別為7.42 kHz，7.71 kHz，8.08 kHz，8.92 kHz和18.85 kHz；圖4(b)的b1-b5對應(yīng)的電源頻率分別為7.42 kHz，8.92 kHz，9.73 kHz，13.00 kHz和18.85 kHz；圖4(c)的c1-c5對應(yīng)的電源頻率為7.42 kHz，7.72 kHz，9.36 kHz，12.69 kHz和18.85 kHz。從圖4可以看出：(1)在低電極電壓下(1.35 kV和1.66 kV)，放電呈現(xiàn)絲狀放電特征；在高電極電壓下(2.10 kV)，放電為均勻放電；(2)當放電為絲狀放電時，放電面積隨著電源頻率的增加先減小后增大。當放電為均勻放電時，放電面積幾乎不受電源頻率的影響。

為了揭示DBD放電系統(tǒng)的諧振與放電模式的內(nèi)在聯(lián)系，測量了DBD放電電流隨頻率變化曲線(看圖5)。

f/kHz

說明：1.圖5的測量方法與圖3的測量方法完全相同；2圖5的實驗條件與圖4完全相同。電極電壓為1.35 kV時，電流幅值隨電源頻率的增加而先減小后增大，呈現(xiàn)典型的LC并聯(lián)諧振特征，諧振頻率和諧振電流分別為8.08 kHz和2.5 mA。當電極電壓增加到1.66 kV時，諧振特性仍然存在，但諧振頻率和諧振電流分別增加到9.73 kHz和5.4 mA,諧振曲線的半寬寬度也變窄。繼續(xù)增加電壓到2.10 kV，電流幅值隨電源頻率增加近似線性增加，即諧振現(xiàn)象消失。通過對比圖4和圖5發(fā)現(xiàn)：1.當放電處于絲狀放電，DBD放電系統(tǒng)存在諧振；當放電為多峰均勻放電，DBD放電系統(tǒng)諧振消失。2.諧振點對應(yīng)絲狀放電面積最小。

2.3 電極間隙對諧振特性的影響

固定電極電壓為1.66 kV，電極間隙由0.16 cm增加到0.25 cm，其它實驗條件與圖5的實驗條件完全相同。圖6是電極間隙為0.25 cm時電流幅值隨電源頻率的變化曲線。為了比較電極間隙的影響，把圖5中的電流幅值諧振曲線也畫入圖6中。從圖6可以看到：在電極間隙為0.25 cm時，在電流幅值-電源頻率曲線中，仍然存在極小的電流值，意味著DBD放電系統(tǒng)的諧振仍然存在。與短電極間隙的結(jié)果相比，長電極間隙對應(yīng)的諧振頻率變大，諧振電流值變小，諧振曲線的半寬更寬。

f/kHz

為了解釋電極間隙對諧振特性的影響，利用相機拍攝了電極間隙為0.25 cm時不同電源頻率下的放電照片(見圖7)。

電極電壓和電極間隙分別固定為1.66 kV和0.25 cm

圖7中的a，b，c，d和e對應(yīng)的電源頻率分別為10.28 kHz，10.57 kHz，10.73 kHz，12.33 kHz和14.35 kHz。相機的設(shè)置與圖4完全相同。電極間隙為0.25 cm時，在不同電源頻率下，放電仍是絲狀放電，進一步證實了只有放電處于絲狀放電時，DBD系統(tǒng)才會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。與圖4b不同(除電極間隙外，其它條件完全相同)的是：1.在長間隙下，放電細絲更加清晰，細絲間隔更大；2.諧振點對應(yīng)的放電出現(xiàn)單個孤立的絲(看圖7c)，意味著放電面積更小，這可能是諧振頻率變大的原因；3.在長電極間隙下，出現(xiàn)單個孤立絲的電源頻率范圍更寬，造成電流幅值諧振曲線的半寬更寬。

2.4 氬氣含量對諧振特性的影響

固定電極電壓為1.66 kV，電極間隙為0.25 cm，氣體總流量固定為100 sccm。將氬氣和氦氣流量分別固定為85 sccm和15 sccm，即氬氣在混合氣體中的含量為85%，氣體經(jīng)混合后通入密閉箱。為了保證放電氣體中氬氣含量為85%，需往密閉箱通該流量的氦/氬混合氣體14 h以上。利用圖5的測量方法，測量氬氣含量為85%時的諧振曲線。保持上述實驗條件不變，分別改變氦/氬混合氣體中氬氣含量為：100%，70%，50%，30%和0%，得到不同氬氣含量下的諧振曲線(見圖8)。從圖8可以看出：當氬氣含量高于30%，電流幅值諧振曲線存在極小值(DBD放電系統(tǒng)存在諧振)。隨氬氣含量減小，諧振頻率和諧振電流增加，諧振曲線的半寬變窄。當氬氣含量低于30% 時，電流諧振曲線極小值消失(DBD放電系統(tǒng)諧振消失)。

f/kHz

圖9是在不同氬氣含量下放電照片隨電源頻率的變化，實驗參數(shù)與圖中的實驗參數(shù)完全相同，相機參數(shù)設(shè)置與圖4相同。圖9a中的a1-a5對應(yīng)的電源頻率分別為10.1 kHz，10.98 kHz，12.04 kHz，13.35 kHz和14.37 kHz；圖9b中的b1-b5對應(yīng)的電源頻率分別為10.26 kHz，12.04 kHz，13.04 kHz，14.02 kHz和14.42 kHz；圖9c中的c1-c5對應(yīng)的電源頻率分別為10.26 kHz，13.32 kHz，13.88 kHz，14.09 kHz和14.26 kHz；圖9d中的d1-d5對應(yīng)的電源頻率分別為10.26 kHz，11.64 kHz，12.23 kHz，13.0 kHz 4和14.2 kHz；圖9e中的e1-e5對應(yīng)的電源頻率分別為10.26 kHz，10.95 kHz，11.24 kHz，11.46 kHz和14.75 kHz；圖9f中的f1-f5對應(yīng)的電源頻率分別為10.19 kHz，10.57 kHz，10.73 kHz，13.48 kHz和14.35 kHz。由圖9可以得到如下結(jié)論：1.當氬氣含量低于30%，放電接近于均勻放電(見圖9a)，DBD放電系統(tǒng)諧振現(xiàn)象消失(見圖8)。2.當氬氣含量高于30%，放電出現(xiàn)絲狀放電，且增加單個放電通道的電源頻率范圍變寬隨著氬氣含量。導(dǎo)致DBD放電系統(tǒng)出現(xiàn)諧振，且諧振特性曲線半寬隨氬氣含量增加而變寬。

(a) 氬氣含量0%

3 結(jié) 語

利用實驗方法研究了DBD放電系統(tǒng)的諧振，發(fā)現(xiàn)放電只有處于絲狀放電時，DBD放電系統(tǒng)才會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象；當放電處于均勻放電時，DBD放電系統(tǒng)諧振現(xiàn)象消失。隨著電極間隙的增加，DBD放電系統(tǒng)的諧振曲線半寬變窄，諧振頻率變大，諧振電流值變小。隨著氬氣含量的降低，諧振曲線半寬逐漸變窄，直至消失，即氬氣含量低于30%時，諧振現(xiàn)象消失。