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摘 要

目前对于介质阻挡放电已经有大量的研究，在放电的影响因素和放电特性诊断方面取得了很多的研究成果。根据介质阻挡放电电极的结构，总体上可以分为平板DBD和同轴DBD。介质阻挡放电所产生的低温等离子体中含有高活性的自由基、高能电子、离子和激发态粒子，已有很多研究在惰性气体中添加活性气体来提高活性粒子的浓度，利用这些粒子来处理污染物、材料表面改性、医疗器械杀菌等。研究表明，在氩气中添加O₂/H₂O等活性成分可以提高O、OH自由基的粒子的密度，但是这会导致放电不稳定。

为了更深入地研究氧气添加对于氩气介质阻挡放电（DBD）稳定性的影响，本文通过改变混合气体的氧气含量、电源电压等参数，对放电稳定性进行了研究。实验选用不同比例的氩氧混合气作为工作气体，纳秒脉冲电源作为激励电源，在石英玻璃密闭容器内进行放电。通过对DBD放电的U-I波形、功率曲线等进行了电气特性的分析，用发光图像分析了光学特性，并使用MATLAB对发光图像进行了灰度处理，定义灰度均方差量作为放电均匀性和稳定性的参考判定条件，分析得出氧气添加比例以及电压变化对于氩氧混合气介质阻挡放电稳定性具有很大的影响。

实验结果表明：在氩气中添加氧气时，放电的发光图像整体变暗，放电功率随氧气含量增加呈现减小的趋势，放电强度减弱。在氩气中添加氧气可以提高活性粒子的浓度，在8kV和10kV时，氧气含量为0.8%放电比较均匀，此时放电稳定性最佳。

关键词：平板DBD 氧气含量 电气特性 发光特性 放电稳定性

Study on Stability of Oxygen-rich dielectric Barrier discharge

Abstract

At present, there has been a lot of research on dielectric barrier discharge (DBD), and a lot of research results have been achieved on the influence factors of discharge and the diagnosis of discharge characteristics. According to the structure of dielectric barrier discharge , they can be divided into flat DBD and coaxial DBD in general. The plasma produced by dielectric barrier discharge contains highly active free radicals, high energy electrons, ions and excited state particles. Many studies have been made to increase the concentration of active particles in inert gases to improve the concentration of active particles, and these particles can be used to deal with pollutants, surface modification of materials, sterilization of medical instruments and so on. The results show that the addition of O₂/H₂O into argon can increase the density of free radical particles, such as O and OH, but this will lead to the unstable discharge.

In order to study the effect of oxygen addition on DBD stability, we study the discharge stability by changing the oxygen content of mixed gas and the voltage of power supply. Different ratio of argon and oxygen mixture is used as working gas and nanosecond pulse power supply is used as exciting power to discharge in quartz glass sealed vessel. By analyzing the electrical characteristics of U-I waveform and power curve of DBD discharge, the optical characteristics are analyzed by using luminescent image, and the gray level of luminous image is processed by MATLAB. The grayscale mean square deviation is defined as the reference condition for the uniformity and stability of the discharge. It is concluded that the oxygen addition ratio and the voltage change have great influence on the stability of the argon oxygen mixture dielectric barrier discharge.

The experimental results show that when oxygen is added to argon, the discharge intensity decreases and the discharge power decreases with the increase of oxygen content. The concentration of active particles can be increased by adding oxygen to argon. When the oxygen content is 0.8% at 8 kV and 10 kV, the discharge stability is the best.

Key words: Flat DBD; Oxygen content; Electrical characteristic; Characteristics of luminescence; Discharge stability

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1气体的击穿理论 1

1.1.1气体电离的三种形式 1

1.1.2气体的电离过程 1

1.2大气低温等离子体 2

1.3介质阻挡放电(DBD) 4

1.4介质阻挡放电的应用 7

1.5国内外研究现状 8

1.6本文主要研究内容 12

第二章 实验装置及测量系统 14

2.1 实验装置及测量系统 14

2.2 放电特性分析 18

2.2.1电气特性分析 18

2.2.2发光特性分析 19

2.3 DBD放电参量计算 19

第三章 电压对DBD放电特性的影响 23

3.1电压-电流特性分析 23

3.2放电功率特性分析 26

3.3发光图像分析 27

3.4实验结果机理分析 30

3.5本章小结 31

第四章 氧气含量对DBD放电特性的影响 32

4.1电压-电流特性分析 32

4.2放电功率特性分析 35

4.3发光特性分析 35

4.4实验结果机理解释 38

4.5本章小结 39

第五章 结论 40

参考文献 41

致 谢 44

第一章 绪论

1.1气体的击穿理论

1.1.1气体电离的三种形式

高电压领域所说的电离是指电子脱离原子核，形成能够自由移动的电子和正离子，气体电离的主要形式有热电离、光电离和碰撞电离，划分的依据是外界给予的能量形式^[1]。电离过程非常复杂多样，激起了国内外学者的积极研究。

气体电离的三种形式中的热电离是指在高温情况下，气体分子获得极大的能量，平均动能大幅度的增加，此时的热电离可能发生的机会较大。光电离是指一些波长较短的光辐射到气体上，使气体获得极大的能量，超过气体电离所需的电离能，进而发生电离的过程；这种电离过程对光的波长要求比较苛刻，如x射线、γ射线。碰撞电离是指电子和离子在强电场的作用下作加速运动，并获得极大的动能，高速运动的粒子与气体中的分子和原子碰撞，使得分子或原子最外围的电子获得能量，从而发生电离；需要指出的是，高速运动的粒子一般是指电子，因为电子体积小，不容易在加速过程中发生碰撞，即使是和其它粒子发生了碰撞，也会因为其自身的质量小而几乎不损失动能；所以电子在强电场中能够过得较大的能量，再反观离子，它们的质量、体积都较大，不具有电子的优势，因此它不是碰撞电离中的主要粒子，在以后的分析中可以忽略离子的影响。

1.1.2气体的电离过程

气体的电离过程，必须提到电子崩的概念^[1]。电子崩是指电子的个数像雪崩一样按照几何级数的增长，数量不断庞大的过程。电子崩首先是在极板的阴极存在一个自由电子，这个自由的电子的来源外电离因素，必须要存在这样的一个电子 。这个电子在强大电场的作用下，向阳极板加速运动，加速过程中它的动能不断增大，与分子发生碰撞，发生了碰撞电离，出现一个新的电子。此时最开始的电子加上碰撞电离产生的电子同时向阳极加速运动，进而发生第二次碰撞电离^[2]；接着会有四个电子一起向阳极加速运动，再发生碰撞电离，如此下去，电子数按照几何级数不断增长，像雪崩式的发展，所以叫电子崩，如图1-1所示。

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