浅析纳秒脉冲DBD放电等离子体实验装置

大气压双极性高压纳秒脉冲DBD实验装置分为五个部分，即纳秒高压脉冲电源、等离子体反应器及电极、发射光谱测量系统、电学特性测量系统和配气系统，实验装置示意图如下图所示。

通过采取三种极性的高压纳秒脉冲电源，即单极性正脉冲高压电源、单极性负脉冲高压电源，以及双极性脉冲高压电源。三种电源均采用了火花隙开关结构，输出脉冲电压上升沿约为20ns，脉宽为80ns左右，输出最高脉冲峰值电压约为45kV，脉冲的重复频率在0~400Hz之间连续可调。下图代表正脉冲高压电源、负脉冲高压电源和双极性脉冲高压电源的输出电压波形。实验中电极结构采取板-板电极结构，放电电压和放电电流波形通过示波器、高压探头和电流探头进行测量，为了减小放电对测量系统及其他仪器设备的干扰，脉冲电源置于双层屏蔽箱内，电源、放电反应器、屏蔽箱外壳等牢固接地。

由于放电回路中存在容性器件，所以在脉冲的第一个峰结束后，高压端存储电荷并不能完全释放，而是在第一个脉冲结束后仍存在多个纳秒级的振荡脉冲，该振荡持续一段时间后降至零点附近。下图为负脉冲高压电源的输出电压波形，通过与正脉冲高压电源的输出电压波形进行对比，能够得出正脉冲高压电源和负脉冲高压电源除极性不同外，输出电压和放电电流波形较为相似。

从放电电流上看，单个脉冲峰内存在两次明显的放电，它们分别发生在脉冲的上升沿和下降沿，其中上升沿处电流峰值较小，具有较大峰值的电流峰出现在脉冲的下降沿。下图为双极型脉冲高压电源的输出电压波形，单极性脉冲出现的电流波形与日本有关报道的研究结果相似。根据相关研究结果，在上升沿位置处，尽管出现了一个幅值较小的电流，但是放电间隙内未出现明显的光辐射过程，该微弱过程主要用于空间电荷和介质板表面电荷的积累，以促进下降沿位置处较强的放电。

采用双极性脉冲电压驱动时，存在与单极性脉冲放电时完全不同的击穿过程，在脉冲上升沿处未发生电荷积累的微弱放电，单个脉冲时间内仅存在一次较为强烈的击穿，其放电电流峰值可达40~50A，击穿位置根据电压峰值大小存在较大差异。在双极性脉冲中，由于正、负极性的脉冲交替出现，上一个脉冲中放电积累的电荷产生的电场与脉冲峰值电压极性相反，即记忆电荷能够有效地参与到下一次放电中，有利于实现对DBD的激励。从放电电流幅值上看，双极性脉冲放电的电流可以达到单极性脉冲放电的3~4倍，因此，采用双极性脉冲产生的等离子体具有更高的电子密度与瞬时功率密度。

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