介质阻挡放电电气及温度效应诊断毕业论文
2022-05-27 22:20:32
论文总字数：27930字
摘 要
长期以来，大气压下的DBD诊断技术一直是国内外研究的热点，然而由于DBD产生等离子体的特性与粒子温度、密度等各种参数的时效性密切相关，因此造成多种诊断方法和手段与实际放电过程不相符而得不到满意的结果。因此，对精确可靠、简单实用的 DBD诊断技术进行研究变得十分迫切。随着相关技术的发展，由发射光谱诊断DBD技术引起了众多学者的广泛关注。
本文在实验室建立了空气和氩气放电的三种不同电极(平板、柱板、刃板)，通过对电压电流和李沙育图形的测量，可以得到空气和氩气在不同极板下放电时的传输电荷、放电功率等电气参量，进而得出电压和频率对不同板极放电特性的影响。而通过光谱仪对不同极板下的放电图像进行捕捉则可以得到空气和氩气的谱线强度，通过得到的谱线数据，计算可以得到转动、振动温度和电子的激发温度等光谱参量，这样就实现了对气体的温度效应诊断。
研究结果表明大气压下的空气和氩气均为非均匀丝状放电模式，但氩气放电较空气而言更为柔和平稳；比较相同气体不同板极的光谱图可以看出平板谱线最强，刃板最弱，柱板介于二则之间，对光谱数据进行处理得到的振动温度、转动温度和电子激发温度均随电压和频率增加而增加并且电子激发温度比振动转动温度高很多。
关键词：介质阻挡放电(DBD) 电子激发温度 振动温度 转动温度
Electrical and Temperature Diagnostics of Dielectric Barrier Discharge
Abstract
For a long time, DBD diagnosis in atmospheric pressure has been a hot research at home and abroad. Because the characteristics of DBD plasma produced with particle temperature, density and other parameters of the timeliness is much related. Therefore ,the development of accurate and reliable，simple and particle DBD diagnosis becomes especially important. In recent years, using emission spectrometry (OES) to diagnose DBD has attracted a lot of attention at home and abroad. OES is an in situ ,real-time online, on the system without disturbance, a good performance and space-resoled diagnosis method.
Three different electrodes (flat plate, column plate, blade plate) are built up of Air and Ar in laboratory. The transmission electricity, discharge power and other electrical parameters can be obtained of Air and Ar in different electrode through the measurement of voltage-current and Lissajous graphic, so the influence on discharge characteristics caused by voltage and frequency can be studied in different electrodes. The line intensity can be obtained by different discharge image captured by spectrometer. And the rotation, vibration and the electron excitation can be calculated through the above data. Thus the effect of gas temperature diagnosis is achieved.
The results show that the Air and Ar discharge are both non-uniform filamentous discharge pattern. But the Ar discharge is softer and smoother than Air discharge. Comparison of the same gas spectra of different plate can be seen that the flat plate line intensity is the strongest, the blade plate is the weakest. The vibration temperature, rotation temperature and electron temperature are increased with the increase of voltage and frequency and the electron temperature is much higher than the vibration temperature.
Key Words: Dielectric Barrier Discharge (DBD); Electric Excitation Temperature; Rotation Temperature; Vibration Temperature
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 DBD的放电原理 1
1.1.1 等离子体简介 1
1.1.2 DBD放电机理 1
1.1.3 DBD的电气特性及温度效应诊断 2
1.2 国内外研究现状 3
1.3 本文主要研究内容 4
第二章DBD实验装置及放电参数计算 5
2.1 DBD实验装置及测量系统的建立 5
2.1.1空气DBD实验装置的建立 5
2.1.2氩气DBD实验装置的建立 6
2.1.3 不同板极结构DBD测量系统的建立 6
2.2 DBD放电参数的计算 7
2.2.1电气参量计算 7
2.2.2 光谱参量计算 8
第三章 空气DBD电气及发射光谱特性研究 11
3.1 平板结构DBD电气及发射光谱特性 11
3.1.1 不同电压下光谱特性 11
3.1.2 不同频率下光谱特性 15
3.2 柱-平板结构下DBD发射光谱特性 17
3.2.1不同电压下光谱特性 17
3.2.2 不同频率下光谱特性 20
3.3 刃板结构DBD电气及发射光谱特性 23
3.3.1 不同电压下光谱特性 23
3.3.2 不同频率下光谱特性 27
3.4 本章小结 29
第四章 氩气DBD电气及发射光谱特性研究 31
4.1 平板结构DBD电气及发射光谱特性 31
4.1.1 不同电压下光谱特性 31
4.1.2 不同频率下光谱特性 35
4.2 柱-平板结构下DBD发射光谱特性 38
4.2.1 不同电压下光谱特性 38
4.2.2 不同频率下光谱特性 42
4.3 刃-平板结构下DBD发射光谱特性 46
4.3.1 不同电压下光谱特性 46
4.3.2 不同频率下光谱特性 50
4.4 本章小结 53
总结与展望 55
参考文献 56
致谢 58
第一章 绪论
1.1 DBD的放电原理
1.1.1 等离子体简介
等离子体是除固、液、气三态以外的物质存在的第四种状态，等离子体可以分为高温等离子体和低温等离子体。与低温等离子体相比，高温等离子体温度很高可以达到104K，并且处于完全电离状态，而低温等离子体温度很低且不完全电离。如果按细的方面来分，低温等离子体又可以分为冷等离子体和冷等离子体。前者中电子和离子温度近似相等,后者中电子和离子温度相差很大,电子温度非常高(可以达到15eV以上),离子温度却很低(一般情况下都小于1000K)。冷等离子体是一种局部热平衡等离子体[1]，并且其电子温度高达数万度以上，而其中的重离子的平动温度和转动温度一般都很低，这也是其名称的由来。冷等离子中的高能电子不断撞击放电区的粒子使其激发和电离，而且整个放电系统又可以保持较低的温度。这样不仅降低了相关设备的使用费用，而且有有效节约了能源且较容易在实验室实现，这就使得冷等离子体的应用范围更广，从而在微电子科学[2]、环境科学[3]、材料科学[4]、化学合成[5]等领域具有越来越广泛的应用。而低温等离子体由于温度、压力等条件容易实现并且在工业应用上设备投入成本较低因而低温等离子体的诊断等技术得到越来越多的关注和研究。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)是产生低温等离子体的重要手段。
1.1.2 DBD放电机理
介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)，又称无声放电[6]，是一种典型的非平衡态交流气体放电，与其他气体放电最显著的区别在于其电极至少有一个被电介质所覆盖。当加上高频激励后，电子可以从高频电场中获得大量能量,电子在电场中高速运动时会与放电间隙中的重离子发生非弹性碰撞并交换电子的几乎全部能量,这样就导致放电区的激励气体产生电子雪崩,生成大量空间电荷。大量粒子汇集在雪崩头部形成本征电场并和外加电场同时对电子起作用,放电区的高能自由电子将进一步得到加速向阳极方向逃逸,而由逃逸电子形成的击穿通道使电子电荷有比电子迁移更快的速度,从而形成了往返于电极间的两个电场波。这样一个导电通道就可以很快地通过放电区,形成大量脉冲微放电细丝, 这些放点细丝均匀、稳定地充满整个放电区。而当气体被击穿，导电通道就会建立起来,与此同时通过放电间隙传输的电荷就会在阻挡介质上积累。电荷在介质表面产生的电场将逐渐增强,改电场方向与外加激励电场相反从而削弱外加激励所产生电场,从而导致放电脉冲的中断[7],在高频高压激励下该过程重复进行，放电板极间的气体将被击穿形成等离子体。介质阻挡放电正在被用于生活的许多方面，如：臭氧生成、材料的表面改性等 [8]。其放电简图：
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