论文总字数：25739字

摘 要

水中脉冲放电是在液体中进行放电的一种放电方式，在常温下这种放电能够产生大量的低温等离子体。最近，关于水中脉冲放电的研究，主要从工业处理应用角度出发，很少有人从电学角度研究不同因素对水中脉冲放电的影响。因此本文将通过实验探究不同因素条件下水中脉冲放电特性的演变规律，从而为优化改良反应器的设计提供参考，对于深入研究放电的机理和促进其应用具有重要意义。

论文首先介绍液相等离子体和高压脉冲电源的形成发展，在充分掌握水中放电的基础上，建立实验装置和诊断系统，选取电气参数分析方法。实验过程，通过改变外加电压的大小、放电间隙的距离和不同的电极结构三大因素来研究放电的演变规律。通过拍摄发光图像，测量光谱强度等方式，对分析的结果进行对比验证。

实验结果表明：（1）水中放电效果随外加电源电压增加而增强；（2）水中放电效果与电极之间距离的关系呈现先正相关后负相关，当水中脉冲放电的电极之间的距离为5mm时，出现峰值；（3）针-板型电极结构的水中放电反应器比针-针型结构的反应器在相同放电条件下脉冲放电效果更强。

关键词：低温等离子体 水中脉冲放电 电极结构 电气特性参数

Water Discharge Reactor Design and Characteristic Study

Abstract

Water pulsed discharge is one form of electrical discharge which is two discharge electrodes discharging in the liquid. It can produce large amounts of low-temperature plasma at room temperature and can be used in industrial production. Currently, the water pulsed discharge techniques have been used in wastewater treatment. Recently, people mainly view application and few study discharge characteristics of water pulsed discharge under different factors. Therefore, this paper will explore discharge characteristically evolution of water pulsed discharge under different factors by experiment, so as to provide a reference for optimizing design of reactor and in-depth understand the discharge mechanism and have great significance when promoting the application.

Firstly, paper introduces the formation and development of liquid-phase and high-voltage pulsed power. Then, establishing experimental equipment and measurement systems after grasping the principle of water pulsed discharge and selecting analysis methods. Experiment by changing the magnitude of the applied voltage, the discharge gap distance and different electrode structure to study the evolution of liquid discharges. Verify the results of the analysis by capturing luminescent image and measure spectral intensity.

Experimental results show that: (1) the discharge becomes more mightily with the applied voltage.(2) As the discharge gap increasing, the effect of discharge decreases after an initial increase, and when the discharge gap is 5mm, the discharge is most mightily. (3) Under the same conditions, the discharge of needle-needle electrode structure is more mightily than that of needle-plate electrode structure.

Key Words: Low-temperature plasma; Water pulsed; Discharge; Electrode structure; Electrical characteristics

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 低温等离子体 1

1.2 液相放电 2

1.3 水中放电反应器的研究意义和应用 2

1.4 水中放电反应器结构及特性 3

1.5 国内外研究进展 4

1.5.1 国内研究进展 4

1.5.2 国外研究进展 5

1.6 本文主要研究内容 6

第二章 水中放电反应器设计 8

2.1 高压脉冲电源设计 8

2.2 反应器电极结构设计 11

第三章 实验装置及诊断测量 13

3.1 电极结构和水中放电反应器的设计 13

3.2 实验装置的建立 14

3.2.1 高压脉冲电源 14

3.2.2 诊断系统 15

3.3 实验结果分析方法 15

3.3.1 光学特性分析 15

3.3.2 电子密度 17

第四章 水中放电反应器放电特性研究 19

4.1 电压对放电特性的影响 19

4.1.1电压电流波形 19

4.1.2电压对发光特性的影响 20

4.1.3 电压对光谱特性的影响 22

4.1.4 电子密度 25

4.2 放电间隙对放电特性的影响 26

4.2.1 放电间隙对发光特性的影响 26

4.2.2 放电间隙对光谱特性的影响 27

4.2.3 电子密度 29

4.3 电极结构对放电特性的影响 30

4.3.1电压对发光特性的影响 30

4.3.2 电极结构对光谱特性的影响 31

4.3.3 电子密度 32

4.4 本章小结 33

第五章 结论与展望 35

5.1 结论 35

5.2 展望 35

参考文献 36

致谢 39

第一章 绪论

等离子体为物理学科研究中的一个分支，在国防、工农业、通讯等诸多领域已得到了广泛运用^[1]。等离子体具有应用范围广，种类繁多的特点，囊括宇宙航天、国防军事工程、核动力聚变反应堆、纳米材料、信息工程的超大规模集成电路中的0.1微米集成块的生产等诸多领域。利用低温等离子体技术有利于化学反应和加工制造提供一种低温、高能量的节能、无污染的工艺。本文主要研究水中放电反应器的结构和特性，以期从电学角度研究出高效的水中放电反应器。

1.1 低温等离子体

物质处于固态时，它的温度相对来说比较低，分子的能量也比较低，分子不活跃，所以固态粒子之间结合的最为紧密。液态和气态的分子能量比较高，它们粒子结合比较松散。气态分子间距离非常大，分子之间的作用力小到忽略掉，所以气态最为松散。物质可以从外界吸收能量并使自身的物质状态发生变化。若物质分子能从外界得到充足的能量，气态物质就会发生电离。被电离的气体受电磁力干扰，带有非常明显的电磁特性。由于正负电荷相差不多，所以称它等离子体(Plasma)，也被叫做物质第四态。

根据温度的高低来区分，等离子体可被分为高温等离子体(Hot Plasma)和低温等离子体(Cold Plasma)两类，高温或低温是由其电子和离子的温度来决定。当电子和离子的温度都很高，且几乎相同时，研究人员称之为“高温等离子体”或者“完全平衡等离子体”^[2-4]。只有环境的温度达到10⁸~10⁹ K量级时，就能产生高温等离子体。目前，高温等离子体被应用于核反应。如果电子的温度特别高，但是离子的温度很低（T_egt;gt;T_i），物质表现为低温，则被称为“低温等离子体”，或称之为“非平衡等离子体”。因此，通常情况下低温等离子体比高温的更容易形成，这也是低温等离子体在工业中应用更为广泛的原因。

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