DBD均匀辉光放电的电源频率

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1、DBD均匀辉光放电的电源频率任忠夫,谢涵坤2,康永香1,桂维魁1（1.济宁医学院，济宁，272000；2.东华大学理学院，上海，200051）摘要：在一个大气压下，使用正弦交流电源进行介质阻挡放电，必须选择适当的电源频率，因为适当的电源频率将有利于均匀辉光放电的产生。当气体放电时，虽然在两电极极板上施加的是规则的正弦交流电压，但是，由于气体的击穿，两介质板之间的气隙上的电压波形被扭曲了，它不再是规则的正弦波形。分析气隙上的电压波形，可以计算出从气体击穿到气隙电压为0这一时间段的大小，根据离子在这一时间段的运动，最终可以推算出有利

2、于均匀辉光放电的最小电源频率。关键词：介质阻挡放电,电压波形,电源频率,辉光放电中图分类号：TM464介质阻挡放电（DBD）是常压下产生等离子体的有效方法[1]，它摆脱了真空条件的限制，具有生产成本低、能量密度大、易于进行连续性工业生产等优点，自诞生以来一直受到人们的广泛关注，人们已经对它进行了大量的研究，希望将其用于大规模的、连续性的工业生产。大气压下的介质阻挡放电产生等离子体的机制与低气压下的其他方法相比有所不同。介质阻挡放电是由无数的微放电组成的，在一般情况下，这些微放电容易相互汇聚形成丝状放电，而丝状放电时在电流细丝内与

3、电流细丝外的其他区域性质相差很大，这就严重地影响了等离子体的均匀性。如果能够从技术上克服介质阻挡放电的这一不足，使微放电良好地、均匀地弥散于整个放电区域，将大大地提高放电均匀性，无疑这将极大地促进和扩大它的应用。介质阻挡放电已经成为低温等离子体研究领域中的热点[2－5]。本文将讨论有利于均匀辉光放电的电源频率。图1介质阻挡放电装置示意图图2介质阻挡放电装置等效电路图图1是平行板介质阻挡放电装置示意图，两平行电极板上各覆盖了一层介质板，电源连接在两极极板上，用来驱动两介质板之间的气体放电。若电源输出的是正弦交流电压，要在两介质板之

4、间进行均匀的辉光放电，就必须选择适当的电源频率。如果电源频率太低，放电将不能启动；如果电源频率太高，两介质板之间容易形成丝状放电。适当选择电源频率，可以使放电产生的部分离子没有足够的时间运动到介质板，而滞留在两介质板之间，而电子情况有所不同，由于质量小，在击穿期间它们几乎全部到达了介质板，在这样的背景下，将有利于均匀辉光放电的产生[6]。要研究有利于均匀辉光放电的电源频率，首先要讨论气隙上的电压随电源电压和气体击穿的变化，然后再讨论气体放电时离子在两介质板之间的运动。图２是图１的等效电路图，Cg表示气隙电容量，Cd表示介质电容量

5、。现在讨论电源电压在Cg和Cd上的分配。为了讨论问题方便，现在假设Cg不会被击穿，这种情况相当于图中的两稳压管不存在。如果在电极板上施加正弦交流电压U=Usinωt(1)pUp为电压峰值，那么Cg和Cd上的电压应该为CdU=U(2)gC+CdgCgU=U(3)dC+CdgUg的峰值为CdU=Ug0pC+Cdg显然U=Usinωtgg0当Ug0小于气隙的最小击穿电压（以Ugm表示）时，Cg的确不会被击穿，Cg和Cd上的电压也就如式(2)和式(3)表示的那样。但实际上，当Ug0＞Ugm时，Cg就会被击穿，这时Cg和Cd上的电压最大值

6、应为U=U(4)gMgmU=U−U(5)dMpgm这时Ug0只是一虚拟量，是为了讨论问题方便引入的，Ug并不能达到这一数值。图3表示的是此时U、Ug和Ud的波形和相位关系，虽然在两极板上施加的是规则的正弦交流电压，但是由于气体的击穿，Cg、Cd上的电压波形被扭曲，不再是规则的正弦波形。从图中的t=0开始，随着电源电压的升高，Cg上的电压也不断升高，当升高到Ug＝Ugm时，也就是图中的t=t1时刻，气体被击穿开始放电，随后Cg上的电压保持Ug＝Ugm不变，在电源电压到达峰值Up，t=t2时刻，放电中断，接着Ug又随电源电压按一正弦

7、曲线开始下降，不过下降不是从Ug0开始的，而是从Ugm开始，这一正弦曲线中包含有一直流成分。下降到一定程度，当Ug＝－Ugm时，气体又一次被击穿，放电又从t4开始，然后放电又像上一次那样地中断。应当注意到，在放电中断时刻，气隙与介质的界面上存在着放电时堆积的电荷，就像上面提到的那样，这时气隙电压Ug不是从Ug0开始随电源电压变化，而是从Ugm开始，两者的差为(Ug0－Ugm)。所以，在t2到t4的时间间隔内，Ug等于正弦交流电压Ug0sinωt与直流电压－(Ug0－Ugm)的和，U=Usinωt−(U−U)(6)gg0g0gm显

8、然它的零点相位超前于U，在接下来的下一次放电结束后的时间间隔内U=Usinωt+(U−U)(7)gg0g0gm图3气体放电时U、Ud和Ug的波形和相位关系从图中可以看出在t1时刻以前，Cg上的电压就应该用上式表示。上面是在一般理论下分析所得的电压波形，实际上在实