1 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 河北工业大学, 天津 300130
3 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
4 等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地, 中国科学院电工研究所, 北京 100190
化学气体毒剂杀伤快、 易扩散、 难处置, 一旦使用或泄露将对****和社会稳定造成巨大威胁, 因此有必要发展一种可以现场实时检测化学毒害气体的方法。 目前, 传统气体检测方法主要包括红外吸收光谱、 气相色谱/质谱、 离子迁移谱和各种气体传感器等, 但其便携性、 灵敏度、 广谱性难以兼得, 无法完全满足现场检测需求。 基于发射光谱(OES)响应快、 灵敏度高、 广谱性好、 可重复性强的独特优势, 提出了一种大气压低温等离子体发射光谱检测技术。 分别以纳秒高压脉冲、 直流自脉冲和微波作为等离子体激励源, 使用毒性较小的甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为沙林模拟剂进行发射光谱检测; 以乙醇作为环境有机干扰物, 对乙醇与DMMP光谱进行了主成分分析; 并探究了放电脉冲频率与特征光谱强度的关系。 结果表明, 三种激励源产生的等离子体都可辨别出DMMP特征光谱: P原子特征谱线波长为213.82和215.09 nm, PO基团谱带波长为253.67和255.6 nm。 光谱识别度方面, 使用微波激励源时DMMP特征光谱最为明显, 而使用纳秒脉冲与直流自脉冲激励源时光谱连续本底强烈。 方法适用性方面, 微波等离子体无电极污染、 但需要氩气维持, 可作为建立毒害气体发射光谱数据库的手段; 而纳秒脉冲与直流自脉冲激励源可在常压空气环境中直接检测。 三种激励形式下等离子体区域都存在气体加热效应, 微波等离子体气体温度最高(约1 300 K), 而纳秒脉冲和直流自脉冲放电气体温度相近(分别约为980和880 K)。 研究发现, 提升脉冲重复频率可以显著增加DMMP特征光谱强度, 其与脉冲频率在1~40 kHz内呈线性关系(相关系数大于0.98)。 所提出的大气压等离子体发射光谱检测方法具有响应快、 操作简单等优点, 可扩展性强、 具有小型化潜力, 为毒害气体快速检测装备研发提供了技术参考。
大气压等离子体 光谱诊断 气体检测 Atmospheric pressure plasma Spectral diagnosis Gas detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1728
强激光与粒子束
2021, 33(6): 065005
1 南京工业大学 自动化与电气工程学院, 南京 210009
2 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
3 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室, 北京 100190
研究了不同电极结构以及放电参数对微秒脉冲激励的氦等离子体射流放电特性的影响。实验中采用不同管内径、不同电极形状、不同重复频率等参数,通过采集放电阶段的电流电压图、发光图像以及发射光谱等,对等离子体射流的电学特性和光学特性进行诊断。实验结果表明,随着管内直径的增大,氦等离子体射流的长度减小; 管内径为8 mm时,等离子体射流的击穿电压与放电电流最小,同时,其发射光谱中第二正带系N2,N+2和O等高能活性粒子的强度最高; 管内径为5 mm的等离子体射流的放电电流、功率及消耗的能量最大; 在相同实验条件下,针尖电极结构中的放电电流、消耗的功率还有发射光谱强度都较大; 随着重复频率的增加,氦等离子体射流的长度会增加,但击穿电压减小。
等离子体射流 电极结构 重复频率 放电参量 plasma jet electrode structure pulse repetition frequency discharge parameter 强激光与粒子束
2016, 28(5): 055001
1 中国科学院 电工研究所， 北京 100190
2 中国科学院大学， 北京 100039
3 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190
4 国防科学技术大学 航天科学与工程学院， 长沙 410073
为了产生高能等离子体合成射流，设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源，输出电压为10 kV，重复频率为100 Hz，可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理，比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中，研究了不同间距对等离子体合成射流的影响，比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明: 不同放电电容在相同激励器间距的条件下，击穿电压基本相同; 击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流，且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高，易于产生高能的等离子体合成射流。
等离子体合成射流 激励器 微秒脉冲源 放电电容 能量消耗率 plasma synthetic jet actuator microsecond pulse power discharge capacitor rate of energy dissipated 强激光与粒子束
2016, 28(4): 045013
1 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100190
3 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室, 北京 100190
利用上升沿约0.5 μs、半高宽约6 μs、幅值可达40 kV的微秒脉冲电源和上升沿约150 ns、半高宽约300 ns、幅值可达50 kV的纳秒脉冲电源激励大气压弥散放电, 并分别采用刀型和锯齿电极放电。通过电压电流测量和发光图像拍摄, 改变施加电压种类、脉冲重复频率、高压电极结构和气隙距离等参数, 研究了不同条件下弥散放电特性。实验结果表明: 纳秒脉冲电源和微秒脉冲电源均能在大气压空气中激励大面积的弥散放电, 弥散放电面积最大达90 cm2; 放电的均匀性受脉冲参数与电极形状影响显著, 其中刀型电极条件下纳秒脉冲激励的弥散放电均匀性最佳; 相同条件下纳秒脉冲弥散放电的瞬时功率大于微秒脉冲弥散放电, 最高可达275 kW, 而纳秒脉冲弥散放电的能量小于微秒脉冲弥散放电; 保持其他条件不变, 弥散放电传导电流幅值随着气隙距离的增加而降低, 放电强度随着脉冲重复频率的增加而增强, 弥散放电的工作电压范围随着脉冲重复频率的增加显著降低。因此在低频、刀型电极结构中易于获得均匀与较大工作电压范围的大气压弥散放电。
弥散放电 纳秒脉冲 微秒脉冲 刀型电极 锯齿电极 气隙距离 重复频率 diffuse discharge nanosecond pulse microsecond pulse knife blade electrode saw blade electrode gap distance pulse repetition frequency 强激光与粒子束
2016, 28(1): 015023
1 中国科学院 电工研究所， 北京 100190
2 中国科学院大学， 北京 100039
3 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190
4 国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 长沙 410073
为满足脉冲功率源对高电压、大电流开关的需求，利用传统晶闸管均压技术，将多个晶闸管串联，研制出额定电压10 kV，额定电流500 A的晶闸管串联开关。根据晶闸管的触发原理，设计出同步触发多个晶闸管的触发系统。该触发系统采用绝缘栅双极型晶体管开关对直流电压阻断产生脉宽可调的低压脉冲，经多个隔离脉冲变压器升压，产生多路同步触发信号。对晶闸管触发系统及晶闸管串联开关进行了测试，测试结果表明：晶闸管触发系统可输出20 V，1 A的多路同步触发信号，触发信号的脉宽30~60 μs可调，重复频率100 Hz；晶闸管串联开关每路静态均压和动态均压波动小，在高电压条件下能稳定工作。
脉冲功率 晶闸管串联 同步触发 静态均压 动态均压 pulsed power series-connected thyristor synchronous triggering static voltage active voltage 强激光与粒子束
2015, 27(11): 115001
1 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室, 北京 100190
4 电力设备电气绝缘国家重点实验室 (西安交通大学), 西安 710049
针对实验产生等离子体的需求，研制了一种高压微秒脉冲电源，输出电压最大值为30 kV，上升沿最小为300 ns、脉宽0.5 μs。测试结果表明电源的输出特性由负载决定，同时调节输入电压、触发脉宽可以改变电源的输出脉冲。研究了针-针放电负载时，电源重复频率以及针针间隙对于放电模式的影响，并通过研究电源输出随负载的变化来区别不同的放电模式，最后把电源成功应用于介质阻挡放电。
等离子体 脉冲功率 高压微秒脉冲 针针放电 介质阻挡放电 plasma pulsed power high voltage microsecond pulse point to point discharge dielectric barrier discharge 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045044
1 中国科学院 电工研究所， 北京 100190
2 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190
3 中国科学院大学， 北京 100039
4 电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)， 西安 710049
利用上升沿100 ns、脉宽150 ns的单级磁压缩纳秒脉冲电源，通过电压电流测量和放电图像拍摄实验，研究了大气压空气中极不均匀电场结构重复频率纳秒脉冲气体放电的放电模式。结果表明纳秒脉冲气体放电存在三种典型的放电模式: 电晕放电、弥散放电和火花放电。施加的脉冲电压幅值对放电模式影响显著，随着电压幅值的增加，放电依次经历电晕、弥散和火花放电。固定电压幅值时，放电可能同时存在两种模式。重复频率加强了放电强度，弥散放电的激发电压随重复频率的增加变化不大，但火花放电的激发电压随着重复频率的增加而降低。因此降低重复频率有利于在较大电压范围获得大气压空气弥散放电。
纳秒脉冲 大气压空气 放电模式 弥散放电 重复频率 nanosecond pulse atmospheric-pressure air discharge mode diffuse discharge pulse repetition frequency 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045029
1 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室, 北京 100190
3 中国科学院大学, 北京 100039
4 电力设备电气绝缘国家重点实验室 (西安交通大学), 西安 710049
基于自主研制的ns脉冲电源(上升沿约70 ns,脉宽约100 ns)激励介质阻挡放电产生大气压低温等离子体,在CF4气氛下对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)表面进行了憎水改性处理,测量了改性前后的薄膜表面的水接触角,给出了CF4气流量、放电电压、处理时间和CF4比例等参数对改性效果的影响规律。结果表明,大气压ns脉冲DBD表面处理能够实现PET材料的憎水性,改性后的PET表面水接触角由66°提高到最大100°。
大气压低温等离子体 介质阻挡放电 纳秒脉冲 表面改性 憎水性 atmospheric-pressure low temperature plasma dielectric barrier discharge nanosecond pulse surface modification hydrophobicity 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045020
1 中国科学院 电工研究所, 北京 100190
2 南京工业大学 自动化与电气工程学院, 南京 211816
3 中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室, 北京 100190
4 电力设备电气绝缘国家重点实验室 (西安交通大学), 西安 710049
为了深入研究等离子射流阵列的放电特性，利用上升沿1 μs、脉宽2 μs的微秒脉冲电源产生等离子体射流，通过电压电流波形的测量和发光图像的拍摄，研究了在针-环双电极结构下，不同电极位置以及不同重复脉冲频率下氦气等离子体射流阵列的放电特性。实验结果表明放电最初产生在阵列的两端，随着外加电压幅值的增加，中心管也会有射流产生，最终形成射流阵列。随地电极距管口距离的变远，放电电流和中心管的射流长度均呈现出先增大后减小的变化趋势(20 mm处取得最大值)，随着重复脉冲频率的增大，放电由不均匀的丝状放电向均匀放电转变，放电电流先减小而后保持不变。
微秒脉冲 等离子体射流 射流阵列 放电特性 重复频率 microsecond pulse plasma jet jet array discharge characteristics repetition pulse frequency 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045003
