一种测量沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置
阅读说明：本技术 一种测量沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置 (Device for measuring surface charge of surface dielectric barrier discharge plasma exciter ) 是由 闫慧杰 俞思琦 李婷 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于大气压低温等离子体应用技术领域,涉及一种测量沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置。所述的装置包括上电极、介质板、下电极、交流–脉冲双高压电源和光学系统,所述的上电极为方形铝箔电极,下电极为表面镀膜的氧化铟锡导电玻璃,介质板为嵌有硅酸铋晶体的石英玻璃；上、下电极不对称排布,上电极为暴露电极,下电极的导电层与介质板紧贴充当掩埋电极；上电极与脉冲电源相连,下电极与正弦交流电源连接,正脉冲叠加在交流波谷。本发明通过交流–脉冲双高压驱动的方式,选择性增强了放电的某一阶段,为利用光偏振法分析沿面介质阻挡放电表面电荷演化过程提供了一种途径。(The invention belongs to the technical field of application of atmospheric pressure low-temperature plasma, and relates to a device for measuring surface charges of a surface dielectric barrier discharge plasma exciter. The device comprises an upper electrode, a dielectric plate, a lower electrode, an alternating current-pulse double high-voltage power supply and an optical system, wherein the upper electrode is a square aluminum foil electrode, the lower electrode is indium tin oxide conductive glass with a coated film on the surface, and the dielectric plate is quartz glass embedded with bismuth silicate crystals; the upper electrode and the lower electrode are arranged asymmetrically, the upper electrode is an exposed electrode, and the conducting layer of the lower electrode is tightly attached to the dielectric plate to serve as a buried electrode; the upper electrode is connected with a pulse power supply, the lower electrode is connected with a sine alternating current power supply, and positive pulses are superposed on alternating current wave troughs. According to the invention, a certain stage of discharge is selectively enhanced in an alternating current-pulse double high voltage driving mode, and a way is provided for analyzing the evolution process of surface dielectric barrier discharge surface charges by utilizing a light polarization method.)
技术领域
本发明属于大气压低温等离子体应用技术领域，涉及一种测量大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置及使用方法。
背景技术
大气压沿面介质阻挡放电等离子体在放电过程中存在电流体动力效应，带电粒子在电场中运动时通过碰撞将动量传递给周围的中性气体分子，诱导离子风的产生，从而具有流动控制的能力。离子加速所需要的电场由介质层表面积累电势和其电容分压决定。放电过程中产生的带电粒子随着放电发展运动而后积累在介质表面，由于放电的不对称性在时间平均上呈现为单极性电荷积累。正半周期发生正电荷积累，负半周期阴极层产生的电子及负离子积累在介质表面。利用光偏振法可以对表面电荷进行可视化研究，实现空间分布及时间演化的测量。但目前鲜少有利用此方法对沿面介质阻挡放电过程中表面电荷演化过程的研究。
发明内容
基于光偏振随电场变化的特性，本发明提供一种测量大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置及使用方法。本发明在介质表面嵌入硅酸铋晶体，采用交流–脉冲双高压驱动的方法选择性增强了放电的某一阶段，从而实现在放电过程中对不同极性电荷演化过程的分析。
本发明的技术方案为：
一种测量沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置，所述的装置包括上电极、介质板、下电极、交流–脉冲双高压电源和光学系统，所述的上电极为方形铝箔电极，下电极为表面镀膜的氧化铟锡导电玻璃，介质板为嵌有硅酸铋晶体的石英玻璃；上、下电极不对称排布，上电极为暴露电极，下电极的导电层与介质板紧贴充当掩埋电极；上电极与脉冲电源相连，下电极与正弦交流电源连接，正脉冲叠加在交流波谷；光学系统由依次排布的红光光源、柯勒照明系统、起偏器、1/4波片、激励器和检偏器组成，各光学元件置于同轴支架上，光路与激励器垂直。
所述的红光光源的波长为634nm，柯勒照明系统包括两个凸透镜与一个光阑，起偏器的偏振角度为φp1＝0°，1/4波片的快轴角度为φf＝45°，检偏器的偏振角度为φp2＝90°。
所述的上、下电极不对称排布是指所述的上电极下边缘与下电极上边缘对齐。
所述的方形铝箔电极的宽度可根据需求调节。
所述的交流–脉冲触发频率可根据放电要求选取，具体为：正弦交流电源的调节范围为4kHz–5kHz，峰峰值一般选择14–18kV，脉冲电源脉宽无严格限制，一般为几百纳秒，脉冲电源幅值由电源参数决定，调节范围为1–7kV。高速相机的曝光时间和帧率根据实验所需调节。优选的：正弦交流电源频率为4kHz，峰峰值为15.5kV，脉冲电源脉宽为200ns，幅值为3kV。
所述的上电极为四个顶角剪为弧形的方形铝箔。
采用上述的装置实现对沿面介质阻挡放电过程的表面电荷测量，包括以下步骤：
第一步，搭建光路，将激励器置于光路且使光线垂直通过硅酸铋晶体；
第二步，连接电路：上电极与脉冲电源连接，下电极与交流电源连接，调节脉冲叠加相位以及脉冲触发频率；
第三步，大气压静态环境下，启动高压电源，在介质表面产生电荷积累。
在不同的脉冲触发频率下，利用高速相机同步拍摄表面电荷积累图像，利用数码相机拍摄宏观放电图像，对表面电荷的演化过程进行分析。
利用上述装置得到沿面介质阻挡放电过程中的表面电荷图像。通过这种装置和方法，发现正脉冲叠加在交流波谷时，正电荷沿着丝通道的演化轨迹积累在介质表面，形态为细长的丝，寿命约为几百个交流周期(几十毫秒)。在一定条件下，脉冲之后的首个类辉光放电“飞跃”介质表面，出现三维传播的现象，部分负电荷积累在远离暴露电极的区域，存在时间长于正电荷。距离暴露电极越远，正、负电荷的衰减速率越小。发明为进一步理解沿面介质阻挡放电等离子体中的电流体动力效应有一定的参考价值。
本发明通过交流–脉冲双高压驱动的方式选择性增强了放电的某一阶段，实现了沿面介质阻挡放电过程中的表面积累电荷的可视化测量。正脉冲叠加在交流波谷增强了丝状放电，增强放电的间隔通过脉冲触发频率控制，在低重复频率下对表面电荷的形成和衰减过程进行分析，在高重复频率下对表面电荷累积效果进行分析。为实现沿面介质阻挡放电表面电荷演化过程的分析提供了一种途径，具有重要意义。
附图说明
图1为沿面阻挡放电激励器装置的正视图；
图2为沿面阻挡放电激励器装置的侧视图
图3为沿面阻挡放电表面电荷测量装置电路连接示意图；
图4为沿面阻挡放电表面电荷测量装置光路图；
图5为连续两个交流周期的外加电压示意图和相应的表面电荷图像，不同半周期对应时刻为(1)0<t<125μs，(2)125<t<250μs，(3)250<t<375μs，(4)375<t<500μs；
图6为脉冲后300个交流周期的表面电荷图像(0.175<t<75.2ms)；
图7为不同脉冲触发频率下宏观放电图像，脉冲(175<t<200μs)、脉冲后第一个类辉光放电(300<t<325μs)、第一个丝状放电(425<t<450μs)和第二个类辉光放电(550<t<575μs)表面电荷图像，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为4kHz、500Hz、62.5Hz和31.25Hz；
图中：1铝箔电极；2硅酸铋晶体；3石英玻璃；4氧化铟锡导电玻璃。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。
一种测量大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器表面电荷的装置，该装置包括上电极、介质板、下电极、交流–脉冲双高压电源和光学系统。
所述的上电极为方形的铝箔电极1，下电极为部分镀膜的氧化铟锡导电玻璃4，介质板为嵌有硅酸铋晶体2的石英玻璃3；上、下电极不对称排布，上电极为暴露电极，下电极的导电层与介质板紧贴充当掩埋电极；上电极与脉冲电源相连，下电极与交流电源连接，正脉冲叠加在交流波谷；红光光源(波长634nm)经柯勒照明系统后变为平行光，两偏振片角度分别为0°和90°，1/4波片快轴角度为45°。
采用上述的装置实现对沿面介质阻挡放电过程的表面电荷测量，包括以下步骤：
第一步，搭建光路，组装实验装置。激励器结构如图1、2所示，将激励器置于光路中并且使光线垂直通过晶体；
第二步，连接电路。如图3所示，上电极与脉冲电源连接，下电极与交流电源连接，调节脉冲叠加相位以及脉冲触发频率；
第三步，大气压静态环境下，启动4kHz交流电源以及脉冲电源，设置交流电源峰峰值为15.5kV，脉冲电源幅值为3kV，脉宽200ns，正脉冲叠加在交流电压波谷。选择不同的脉冲触发频率4kHz、500Hz、62.5Hz和31.25Hz，利用高速相机拍摄表面电荷积累图像，曝光时间设置为24.507μs，拍摄起始时刻为交流电压上升沿的0点，帧率为4万帧，即一个交流周期拍摄10张图像。利用数码相机拍摄宏观放电图像。
本发明研究了正脉冲叠加在交流波谷时，不同脉冲重复频率下的表面电荷演化过程。
实验参数：如本说明书附图中的图1、2所示，上电极为四个顶角剪为弧形的方形铝箔，宽度为7mm，厚度为60μm，下电极氧化铟锡导电玻璃厚度为1.1mm，导电层与介质层紧贴。介质层由两块厚度分别为1mm和2mm的，100×100mm2的石英玻璃组成，前者中间挖空，嵌有一块20×20mm2，厚1mm的硅酸铋晶体。上电极与晶体的重叠宽度为5mm，其下边缘与导电层的上边缘对齐。上电极与脉冲电源连接，下电极与交流电源连接。采用的交流电源频率为4kHz，峰峰值为15.5kV，脉冲电源幅值为3kV，脉宽200ns，正脉冲叠加在交流波谷，脉冲触发频率为4kHz、500Hz、62.5Hz和31.25Hz，简化装置如图3所示。高速相机曝光时间设置为24.507μs，拍摄起始时刻为交流电压上升沿的0点，帧率为4万帧。数码相机感光度设置为100，曝光时间为5s。
图5为脉冲触发频率为31.25Hz，正脉冲叠加在交流波谷时，两个交流周期的外加电压示意图与相应的放电照片。图5(1)为类辉光放电阶段，负电荷均匀地分布在距离暴露电极约1mm处。图5(2)为丝状放电阶段，正电荷沿丝通道的发展轨迹积累在介质表面。正脉冲引入后，细丝的延伸长度增加，正电荷随之积累在远离暴露电极处，电荷密度在流注头部较高，越靠近暴露电极电荷密度降低。增强的丝状放电存在两种形态的放电丝：较长的细丝颜色浅，表示其电荷密度小；较短的放电丝颜色深，表示其电荷密度大。图5(3)为脉冲之后首个类辉光放电阶段，可以发现此阶段放电被增强。在远离暴露电极处出现白点，说明此阶段可能发生了“三维传播”，负电荷飞跃一段距离后积累在介质表面，此现象只在脉冲之后的首个类辉光放电阶段发生。
通过对脉冲之后300个交流周期的表面电荷图像进行分析，如图6所示，可以发现距离暴露电极越远，电荷衰减速率越小。将图像分为三个区域，暴露电极边缘定义为y＝0，区域1为类辉光放电区域(y≈0–1.5mm)，区域2为正流注的中间区域(y≈1.5–6.6mm)，区域3是下游区域(y≈6.6–14.8mm)。区域1的正电荷在50μs内被中和；区域2的正电荷在前2.5ms有明显的衰减趋势，在随后的5ms逐渐扩散；区域3中的大部分正电荷在25ms后消失，而细丝头部的正电荷寿命约为75ms。区域1的负电荷在随后的丝状放电中被中和；区域2内的负电荷在2.5ms内消失，位于边缘的负电荷则在25ms内逐渐扩散；区域3中，积累的负电荷在75ms后仍然存在。
改变脉冲触发频率为4kHz、500Hz和62.5Hz后重复以上实验，得到如图7所示结果。宏观放电图像由两个区域组成，发光较强区域由类辉光放电形成，主要积累负电荷。发光较暗区域由丝状放电形成，主要积累正电荷。随着脉冲触发频率的减小，类辉光放电的延伸长度变短，丝状放电延伸长度增加，但在低脉冲触发频率下并不明显。由于丝状放电与三维放电延伸长度均随脉冲触发频率的减小而增加，因此正、负电荷随之积累至离暴露电极更远的区域。
综上所述，通过对表面电荷分布以及演化过程的分析可以得出结论：
(1)表面电荷积累与放电形态有关，负电荷在类辉光放电阶段向介质表面运动并形成分布均匀的带负电区域，正电荷沿着丝状放电的发展轨迹形成随机分布的细丝状带正电区域；
(2)引入正脉冲导致丝状放电增强，出现两种形态的放电丝。随后的首个类辉光放电被增强，发生三维传播；
(3)表面电荷的衰减率随着与暴露电极的距离的增加而减小；
(4)不同极性的表面电荷衰减速率不同，负电荷衰减速率小于正电荷；
(5)随脉冲触发频率减小，丝状放电和三维放电延伸长度增加，正、负电荷随之积累在远离暴露电极区域。
目前上述研究表明，在使用光偏振法测量沿面介质阻挡放电的表面电荷时，采用交流–脉冲双高压驱动的方式能够选择性增强放电的某一阶段，导致表面电荷在距离暴露电极更远处积累且寿命增加，从而实现了在随后的几百个交流周期内对表面电荷演化过程的分析。
在本发明的基础上，也可通过将负脉冲叠加于交流波峰增强类辉光放电，观察此时的正负电荷演化特点。为更好地将此发明应用于一般材料，还可以在硅酸铋晶体上覆盖厚度较小的透光材料，如石英玻璃等，研究材料对表面电荷分布及演化过程的影响。
所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
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