一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生装置及产生方法
阅读说明：本技术 一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生装置及产生方法 (Low-voltage and low-electromagnetic interference nanosecond pulse-direct current combined dielectric barrier discharge generation device and method ) 是由 吴云 朱益飞 卞栋梁 宗豪华 张志波 宋慧敏 贾敏 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：提供一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生装置,包括：平板型正电极(5)、平板型负电极(9)、第一介质(15)、第二介质(16)、第一交流-直流转换器(3)、第二交流-直流转换器(7)、第一开关(2)、第二开关(6)、交流市电电源(1)、正弦高电压发生器(4)、微型纳秒脉冲低压信号发生器(8)和一根金属针(10)。金属针(10)的输入端接微型纳秒脉冲低压信号发生器(8)的输出端,金属针(10)的另一端悬空置于第一介质(15)与第二介质(16)之间接近正中间的任意位置。还提供一种相应的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生方法。本发明用于解决介质阻挡放电情况下,实现低电压、低功率条件下的纳秒脉冲放电。本发明能够解决电源重量大、成本高、电磁干扰严重的缺点。(The utility model provides a low voltage, low electromagnetic interference's nanosecond pulse-direct current combination formula dielectric barrier discharge produces device, includes: the device comprises a flat positive electrode (5), a flat negative electrode (9), a first medium (15), a second medium (16), a first alternating current-direct current converter (3), a second alternating current-direct current converter (7), a first switch (2), a second switch (6), an alternating current mains supply (1), a sine high-voltage generator (4), a micro nanosecond pulse low-voltage signal generator (8) and a metal needle (10). The input end of the metal needle (10) is connected with the output end of the micro nanosecond pulse low-voltage signal generator (8), and the other end of the metal needle (10) is suspended at any position between the first medium (15) and the second medium (16) and close to the middle of the first medium and the second medium. A corresponding nanosecond pulse-direct current combined dielectric barrier discharge generation method is also provided. The invention is used for realizing nanosecond pulse discharge under the conditions of low voltage and low power under the condition of dielectric barrier discharge. The invention can solve the defects of heavy weight, high cost and serious electromagnetic interference of the power supply.)
技术领域
本发明涉及电气物理领域，具体涉及一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲- 直流组合式介质阻挡放电产生装置及产生方法。
背景技术
纳秒脉冲放电是指在两个电极之间，施加上升沿为纳秒时间尺度的超短高电压脉冲，从而引起的脉冲式放电。由于纳秒脉冲放电的传播时间尺度与电压上升时间尺度相当，这种放电具有很高的电场强度，在点火助燃、气体净化、生物医学中都有很广泛的应用。
纳秒脉冲放电的一个重要应用场景是介质阻挡放电(dielectric barrierdischarge)，本质为两个绝缘介质之间的气体在纳秒脉冲电压作用下的击穿过程。为了实现介质阻挡放电中的放电，需要有较高的电场，因而需要依靠纳秒脉冲电源产生高压脉冲。
现有的纳秒脉冲电源的共性缺点是：设备笨重(几到几十公斤)、成本极高 (最便宜的也上万元)且可靠性较低，其主要的原因在于为了形成放电，需要将220V的交流市电升压为特定脉冲高压波形，由于升压级数很高，且为了保证负载较大情况下的放电功率，需要在电源中集成变压器、磁压缩环等重设备，且电磁干扰严重。而如果降低脉冲波形电压，则无法击穿气体形成放电，难以发挥纳秒脉冲放电的功效。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲- 直流组合式介质阻挡放电产生装置，包括：平板型正电极5、平板型负电极9、第一介质15、第二介质16、第一交流-直流转换器3、第二交流-直流转换器7、第一开关2、第二开关6、交流市电电源1、直流高电压发生器4、微型纳秒脉冲低压信号发生器8和一根金属针10；其中
交流市电电源1引入市电，其负端接地；
第一开关2一端接交流市电电源1输出端；
第一交流-直流转换器3的输入端接第一开关2的另一端；
直流高电压发生器4的输入端接第一交流-直流转换器3的输出端；
正电极5接直流高电压发生器4的输出端；
矩形块形状的第一介质15，其左侧面贴附正电极5，正电极5覆盖第一介质15的左侧面；
平板型负电极9接地；正电极5和负电极9之间间隔第一介质15和第二介质16，正电极5和负电极9背靠背放置；
矩形块形状的第二介质16，其右侧面贴附负电极9，负电极9覆盖第二介质16的右侧面；
第二开关6一端接交流市电电源1输出端；
第二交流-直流转换器7的输入端接第二开关6的另一端；
微型纳秒脉冲低压信号发生器8的输入端接第一交流-直流转换器3的输出端；
金属针10的输入端接微型纳秒脉冲低压信号发生器8的输出端，金属针10 的另一端悬空置于第一介质15与第二介质16之间接近正中间的位置。
此外，本发明还提供利用权利要求1的装置实现一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生方法，包括下列步骤：
Step1：接通交流市电电源1，设备通电；
Step2：闭合第一开关2，交流市电电源1的输出信号经过第一交流-直流转换器3被整流成直流电压信号；
Step3：第一交流-直流转化器3输出的直流电压信号进入直流高电压发生器4之后被升为高压直流电；
Step4：闭合第二开关6，交流市电电源1的输出信号经过第二交流-直流转换器7被整流成直流电压信号；
Step5：第二交流-直流转换器7输出的直流电压信号进入微型纳秒脉冲低压信号发生器8之后被整流成微纳秒脉冲信号；
Step6：微型纳秒脉冲低压信号发生器8输出的纳秒脉冲信号到达金属针10 后，在金属针10的尖端形成强局域电场，该局域电场与介质之间原有的直流高压电场叠加即可达到等离子体电离阈值引发放电；
Step7：通过控制微型纳秒脉冲低压信号发生器8的输出电压幅值和频率，可以控制该介质阻挡放电的整体放电强度与频率。
本发明用于解决介质阻挡放电情况下，实现低电压、低功率条件下的纳秒脉冲放电。本发明能够解决电源重量大、成本高、电磁干扰严重的缺点。
附图说明
图1示出本发明一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生装置的组成结构示意图；
图2示出本发明一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生方法。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明通过一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生装置实现，如图1所示，本发明的装置包括：平板型正电极5、平板型负电极9、第一介质15、第二介质16、第一交流-直流转换器3、第二交流-直流转换器7、第一开关2、第二开关6、交流市电电源1、直流高电压发生器4、微型纳秒脉冲低压信号发生器8和一根金属细针10。对各部件具体介绍如下。
交流市电电源1引入市电，其负端接地；
第一开关2一端接交流市电电源1输出端；
第一交流-直流转换器3的输入端接第一开关2的另一端；
直流高电压发生器4的输入端接第一交流-直流转换器3的输出端；
正电极5接直流高电压发生器4的输出端；
矩形块形状的第一介质15，其左侧面贴附正电极5，正电极5可以全部覆盖第一介质15的左侧面；
平板型负电极9接地；正电极5和负电极9之间间隔第一介质15和第二介质16，正电极5和负电极9背靠背放置；
矩形块形状的第二介质16，其右侧面贴附负电极9，负电极9可以全部覆盖第二介质16的右侧面；
第二开关6一端接交流市电电源1输出端；
第二交流-直流转换器7的输入端接第二开关6的另一端；
微型纳秒脉冲低压信号发生器8的输入端接第一交流-直流转换器3的输出端；
金属细针10的输入端接微型纳秒脉冲低压信号发生器8的输出端，金属细针10的另一端悬空置于第一介质15与第二介质16之间(接近正中间的任意位置)。
本发明一种低电压、低电磁干扰的纳秒脉冲-直流组合式介质阻挡放电产生方法，其实现步骤为(如图2所示)：
Step1：接通交流市电电源1，设备通电；
Step2：闭合第一开关2，交流市电电源1的输出信号经过第一交流-直流转换器3被整流成直流电压信号；
Step3：第一交流-直流转化器3输出的直流电压信号进入直流高电压发生器4之后被升为高压直流电；
Step4：闭合第二开关6，交流市电电源1的输出信号经过第二交流-直流转换器7被整流成直流电压信号；
Step5：第二交流-直流转换器7输出的直流电压信号进入微型纳秒脉冲低压信号发生器8之后被整流成微纳秒脉冲信号；
Step6：微型纳秒脉冲低压信号发生器8输出的纳秒脉冲信号到达金属细针 10后，在金属细针10的尖端形成强局域电场，该局域电场与介质之间原有的直流高压电场叠加即可达到等离子体电离阈值引发放电；
Step7：通过控制微型纳秒脉冲低压信号发生器8的输出电压幅值和频率，可以控制该介质阻挡放电的整体放电强度与频率。
本发明的装置使用方法简单。仅需要控制两路开关的同时通断，即可以直流-纳秒叠加的方式产生低电压、低功率和低电磁干扰的纳秒脉冲放电。
与现有的基于高压纳秒脉冲源相比，本发明具有以下优点：
1)重量极轻。由于没有大型升压装置和波形压缩装置，逆变器、高压包与微型纳秒脉冲电源总重量仅为1kg，不到普通高压纳秒脉冲源重量的10％；
2)成本极低。由于不需要购买大型电容和大功率开关器件，本方案的元件成本仅为普通高压纳秒脉冲电源的1-10％；
3)电磁干扰弱。由于微型纳秒脉冲模块产生的电压脉冲幅值很低功率较小，不会像传统纳秒脉冲源产生巨大的电磁干扰，具有实用价值。