脈沖疊加直流激勵輝光放電特性

姜 松， 丁起行， 饒俊峰， 王永剛

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

輝光放電低溫等離子體在眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用。等離子體就是部分或完全電離的氣體，它作為物質(zhì)的第四態(tài)被大家所熟知[1-2]。從微觀上講等離子體中含有大量的電子、正負離子和活性基團，電子和負離子帶的電位數(shù)和正離子所帶電荷剛好相等。從宏觀上講等離子體呈電中性[3-4]。輝光放電低溫等離子體的電離率比較低，所以離子溫度和室溫接近。由于溫度接近室溫，用低溫等離子體處理一些材料不會造成材料本體傷害，因此，低溫等離子體具有很高的應(yīng)用價值[5-6]。

等離子體通常由氣體放電產(chǎn)生，如輝光放電和電暈放電等，它們都屬于自持放電，但是它們定義不同，原理機制也不同。輝光放電是指低氣壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象，即是稀薄氣體中的自持放電現(xiàn)象，其基本構(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)放置兩個電極；而電暈放電是指氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電，其形成機制因尖端電極的極性不同而有區(qū)別[7-9]。輝光放電的主要應(yīng)用是：a.利用它的發(fā)光效應(yīng)制作霓虹燈；b.利用正常輝光放電的穩(wěn)壓特性制作氖穩(wěn)壓管；c.利用輝光的正柱區(qū)產(chǎn)生激光的特性制作氦氖激光器。

蘇永飛等對低氣壓下射頻輝光放電的電極設(shè)計進行了研究，采用容性平行電極板和針管電極相結(jié)合的形式實現(xiàn)了低壓射頻輝光放電，探究了輝光放電的起輝條件[10]。張希霞等對低氣壓中頻針板電極放電進行了實驗研究，給出了在低氣壓針板電極放電的過程中氣體種類、氣壓、放電的針板間距以及針型等對擊穿電壓產(chǎn)生的影響[11]。

本實驗以氬氣作為主要反應(yīng)氣體，經(jīng)過自制高頻高壓脈沖電源和直流電源的激勵，產(chǎn)生輝光放電。實驗過程中測量了輝光放電的擊穿電壓幅值和輝光放電過程中不同電壓和電流波形，并對其進行整理與分析。重點研究不同激勵方式下?lián)舸╇妷悍档拇笮?、輝光放電過程中電流的規(guī)律以及脈沖激勵輝光放電時脈寬的變化對電壓和電流的影響。結(jié)果表明，脈沖疊加直流激勵能有效降低輝光放電所需的脈沖擊穿電壓。

1 實驗材料、設(shè)備和方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

輝光放電實驗裝置如圖1 所示，其放電管為U 型管，兩電極間距約為15 cm，管內(nèi)主要氣體為氬氣，管內(nèi)氣壓環(huán)境為低氣壓，實物如圖2 所示。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup

圖2 U 型放電管Fig.2 U-shaped discharge tube

實驗中采用高頻脈沖電源與直流電源對放電管進行激勵放電。

脈沖電源采用基于Marx 電路結(jié)構(gòu)、可以調(diào)節(jié)不同參數(shù)的自制電源。其輸出參數(shù)為：電壓幅值調(diào)節(jié)范圍0～1 500 V，頻率調(diào)節(jié)范圍0～2 kHz，脈寬調(diào)節(jié)范圍0～300 μs，此脈沖電源典型的輸出波形如圖3 所示。直流電源采用型號為HSPY-1000-01 的電源，電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0～1 000 V。

圖3 輸出脈沖電壓波形Fig. 3 Waveform of output pulse voltage

當外加電壓足夠高時，放電管兩電極之間發(fā)生放電。為了限制放電電流，在放電管和電源之間串聯(lián)了一個1 kΩ 的保護電阻。輝光放電管的電壓和總的電流分別由高壓探頭（Tektronix P6015 A）和電流探頭（Pearson 2100）測量。數(shù)字示波器（Tektronix DPO2014）用于記錄和儲存電壓電流波形。

1.2 實驗方法

直流輝光放電:只采用直流電源激勵放電管，慢慢升高電壓，記錄其擊穿電壓幅值和輝光放電過程中不同的電壓和電流。

脈沖輝光放電：只采用高頻脈沖電源激勵放電管，脈沖電源的供電模式設(shè)置為重頻模式，脈沖電源頻率設(shè)為1 kHz，慢慢升高電壓，記錄其擊穿電壓幅值和輝光放電過程中不同的電壓和電流。

脈沖疊加直流輝光放電：采用脈沖疊加直流的方式激勵放電管，脈沖電源的供電模式設(shè)置為突發(fā)模式，即用脈沖電壓擊穿產(chǎn)生輝光放電，然后用直流電壓維持放電。直流維持電壓固定為320 V不變，改變脈寬，記錄不同脈寬下相對應(yīng)的脈沖擊穿電壓幅值。同一脈寬下，多次測量脈沖擊穿電壓，取平均值，以保證測量擊穿電壓的準確性。

2 不同方式激勵下輝光放電特性

2.1 直流輝光放電

當只采用直流電壓激勵時，剛開始電壓較低，放電管無反應(yīng)，沒有輝光放電現(xiàn)象產(chǎn)生，也無電流產(chǎn)生。當直流電壓升高到約380 V 時，放電管被擊穿，開始產(chǎn)生輝光放電，并且伴有電流產(chǎn)生，繼續(xù)升高直流電壓，放電電流也隨之增加，并且增加速度越來越快。而放電一段時間后，放電管兩端被燒黑，發(fā)熱比較明顯。

2.2 脈沖輝光放電

當只采用脈沖電源激勵時，電源頻率設(shè)置為1 kHz，脈寬設(shè)置為50 μs。同樣脈沖電壓幅值較低時，放電管同樣無反應(yīng)，沒有輝光放電現(xiàn)象產(chǎn)生，也無電流產(chǎn)生。

隨著電壓的升高，當放電管兩端電壓達到約560 V 時，放電管被擊穿，開始產(chǎn)生輝光放電，并且有電流產(chǎn)生，其電壓、電流波形如圖4 所示。

由圖4 可知，在輝光放電產(chǎn)生的瞬間，放電管兩端的電壓有一定的電壓降，放電電流突然增大，然后到達一定值后又慢慢減小。主要因為當放電管被擊穿時，整個放電空間充滿等離子，放電管阻抗降低，放電電流開始產(chǎn)生并瞬間增大到一定值，之后由于阻抗進一步降低，放電管兩端電壓也隨之降低，當放電管兩端電壓低于最低維持放電電壓（約為300 V）時，放電電流減小為零，直至放電結(jié)束。

圖4 脈沖輝光電壓和電流波形Fig.4 Pulse glow voltage and current waveforms

由圖4 可以看出，在單個脈沖時間內(nèi)，放電管兩端的電壓和電流是一直變化的，所以其阻抗也是變化的[12]。通過計算單個脈沖時間內(nèi)電壓與電流的比值可以得出放電管阻抗，先減小到約2.2 kΩ，然后隨著輝光放電結(jié)束又慢慢增大。直流輝光放電實驗中，在560 V 直流電壓下，通過計算電壓與電流的比值可以得出放電管的阻抗減小到約2 kΩ 后慢慢趨于穩(wěn)定。在相同電壓下，直流輝光放電時放電管阻抗略小，產(chǎn)生的熱量更多。

將脈沖電源的頻率固定為1 kHz 不變，當脈寬從20 μs 增至250 μs 時，其產(chǎn)生的輝光放電的擊穿電壓幅值如圖5 所示。

圖5 脈寬對擊穿電壓的影響Fig.5 Effect of pulse width on breakdown voltage

由圖5 可知，隨著脈寬的增加，脈沖輝光放電所需要的擊穿電壓幅值降低。這是因為每個氣隙都有它的最低靜態(tài)擊穿電壓，欲使間隙擊穿，外加電壓必須不小于這個靜態(tài)擊穿電壓。由于放電時延的影響，氣隙的擊穿需要一定的時間才能完成。對于脈沖性質(zhì)的電壓，氣隙的擊穿電壓就與該電壓作用的時間有很大關(guān)系。所以，對某一定的非持續(xù)作用的電壓波形，氣隙擊穿電壓需用外加電壓的峰值和延續(xù)時間共同表示。當脈寬增加時，其相對應(yīng)的擊穿電壓降低。

圖6 為不同脈沖電壓、脈沖寬度下，放電電流的峰值變化情況。

圖6 脈寬對放電電流峰值的影響Fig.6 Effect of pulse width on peak discharge current

由圖6 可以看出，在相同脈寬下，隨著電壓的升高，放電電流的峰值隨之增加。在相同電壓下，隨著脈寬的增大，放電電流的峰值也隨之增加。這主要是由于間隙相對應(yīng)的伏秒積增大，放電得到加強，電流隨之增大。

2.3 脈沖疊加直流輝光放電

通過比較脈沖與直流輝光放電的實驗結(jié)果可以看出，直流輝光放電所需要的擊穿電壓比脈沖輝光放電所需要的擊穿電壓更低，但是相同電壓下直流輝光放電電流更大，發(fā)熱更嚴重。因此從能量效率方面考慮，采用脈沖疊加直流的方式激勵輝光放電來改善發(fā)熱問題。

將直流電壓固定為320 V，通過改變脈沖電壓的脈寬得到不同脈寬下輝光放電的擊穿電壓幅值，其結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可看出，脈沖疊加直流輝光放電所需要的脈沖擊穿電壓比脈沖輝光放電要低。主要是由于在脈沖電場下更容易激發(fā)初始電子，相對應(yīng)其直流擊穿電壓降低；隨著脈沖電壓脈寬的增加，單個脈沖電壓作用的時間增長，激發(fā)初始電子個數(shù)增加，直流擊穿電壓也就隨之降低。

圖7 不同激勵方式對擊穿電壓的影響Fig. 7 Effect of different excitation methods on breakdown voltage

為了研究不同直流電壓下使放電管發(fā)生輝光放電的最低脈沖擊穿電壓，將脈沖電源的頻率固定為1 kHz，脈寬固定為250 μs 不變，得到其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 直流電壓對脈沖擊穿電壓的影響Fig.8 Effect of DC voltage on pulse breakdown voltage

由圖8 可知，隨著所加直流電壓的增加，輝光放電所需要的脈沖擊穿電壓降低。這主要因為隨著外加的直流電壓的增大，自由電子在脈沖與直流疊加的電場中獲得的能量更大，所以更容易發(fā)生放電，故起始放電電壓就降低。

3 結(jié) 論

本文主要研究脈沖電源疊加直流電源激勵輝光放電。通過實驗發(fā)現(xiàn)，單一直流輝光放電所需擊穿電壓約為380 V，放電過程中發(fā)熱較為明顯，放電管兩端被燒黑。脈沖輝光放電所需的擊穿電壓較高，為450～600 V，并且擊穿電壓隨著脈沖電壓的脈寬的增加而降低。

采用脈沖疊加直流的方式激勵輝光放電所需的擊穿電壓既比脈沖電壓輝光放電所需的擊穿電壓要低，更易產(chǎn)生輝光放電，也改善了直流輝光放電發(fā)熱嚴重的問題，提高了效率。另外，在不改變脈沖電源參數(shù)的情況下，增加直流維持電壓，輝光放電所需要的脈沖擊穿電壓也有所降低，最低約為400 V。