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摘 要

大气压介质阻挡放电能够在常温常压下产生大面积、高能量密度的低温等离子体，因此在材料表面改性、杀菌消毒及环境保护等工业领域具有广阔的应用前景。目前，国内外对于纯气体大气压介质阻挡放电的研究已取得了一定的成果，但对混合气体，尤其是添加活性气体(如O₂、H₂O等)的研究还很不完善，还需要大量的理论和实验研究其放电特性，以获得高活性等离子体，满足工业生产的需求。

本文自行设计大气压高活性DBD等离子体的实验装置和测量系统，通过测量得到的电压电流波形图、Lissajous图形、发光特性及光谱特性，研究大气压DBD等离子体放电特性及参量的演变规律。本文在介绍大气压DBD放电过程及其形成机理的基础上，以氩气、氧气作为工作气体，分析了外加电压和氩氧混合气体中氧气浓度对氩氧大气压DBD放电特性的影响，并依照其变化规律，得到了在本实验装置和实验方法的条件下，产生OH活性粒子最佳的条件。

研究表明：在纯Ar和Ar/O₂两种气体环境中，大气压DBD等离子体具有相同的放电模式。相同含氧量的混合气体中，放电参量和等离子体参数都是随着电压幅值的增加而增加的，但各阶段的增长幅度不同。随外加电压幅值的增加，电流脉冲的个数和最大电流脉冲的幅值也会增加，同时由于电子碰撞频率提高，电子密度增加，导致发光强度増强。由于氧气都是电负性气体，吸附了部分高能电子和激发态粒子，使得放电参量和等离子体参数都有不同程度的减小。其中，以纯Ar中的放电功率和传输电荷为最高，且随着活性气体含量的增加，两者随之减小。在逐渐增大电压过程中，当电压为5kV时，放电最为稳定，放电电流最大，所以选择5kV作为最优外加电压。随着氧气浓度的增大，当氧气浓度达到0.15%时，OH发射强度达到最大，此时活性基含量最高，能量最大。

关键词：氩氧中大气压下介质阻挡放电 等离子体 影响因素 电气特性 发光特性 光谱特性

Discharge characteristics of Ar/O₂ DBD at the atmospheric pressure

Abstract

Dielectric barrier discharge at the atmospheric pressure can produce a large quantity of high energy density and low temperature non-equilibrium plasma in large areas. So far, this kind of discharge is wildly used as ozone producers and environmental protection fields and so on. At present, the research of pure gases has made certain achievements, however the study of the mixed gas is still not perfect, especially the study of adding the reactive gas(such as O₂ and H₂O and so on). So it requires a lot of experimental and theoretical study of the discharge characteristics, so as to obtain high activity plasma and meet the needs of industrial production.

In this paper, we design an experimental apparatus and measurement systems to produce active plasma at the atmospheric pressure. By the use of voltage and current waveforms, Lissajous graphics, emission characteristics and spectral characteristics, we study DBD discharge characteristics and evolution of parameters. this paper based on the introduction of DBD discharge process and formation mechanism, with argon gas and oxygen gas as dielectric barrier, analysis the factors of affecting the discharge characteristics, such as the applied voltage and oxygen concentration in a mixed gas of Ar/O2, and according to its variation and the basis of experimental apparatus and experimental methods, we get the best conditions to produce OH particles.

Studies have shown that: in the gas atmosphere of pure Ar and the mixture of Ar and O₂, they have the same of discharge mode. In the case of a fixed concentration of oxygen, with the increase of the voltage amplitude, the discharge parameters and plasma parameters increases, the number of current pulse and the maximum current pulse have the same variation, meanwhile the electron collision frequency and the electron density increases, resulting in the emission intensity increase strongly. Because oxygen is a kind of electronegative gas, it adsorb some high-energy electrons and excited particles, it make the discharge parameters and plasma parameters have different degrees of reduced. Among them,the power of discharge and the charge of transmission are the highest in the pure Ar, and with the increase of the content of the inert gas, both decreased. In the process, with the increase of voltage gradually and when the voltage of 5kV, the discharge is the most stable and current reach the maximum, therefore, we choose 5kV as the optimal applied voltage. With the increase of the oxygen concentration and when the oxygen concentration reaches 0.15%, the concentration of OH active particles reach the maximum.

Key words: Gas dielectric barrier discharge; Plasma; Influences factors; Electrical characteristics; Luminescence characteristics; Spectral characteristics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 介质阻挡放电(DBD)的研究背景 1

1.2 介质阻挡放电(DBD)的国内外发展现状 2

1.3 典型的介质阻挡放电间隙和DBD放电的判断方法 3

1.3.1 典型的介质阻挡放电的间隙 4

1.3.2 介质阻挡放电(DBD)的测量判断方法 5

1.4 本论文研究的主要内容 7

第二章 气体放电的基础理论 8

2.1 气体放电理论的概念 8

2.1.1 气体放电 8

2.1.2 气体介质阻挡放电(DBD)的一般规律 8

2.2 气体介质阻挡放电(DBD)的特性和主要形式 9

2.2.1 气体介质阻挡放电的特性介绍 9

2.2.2 气体介质阻挡放电的主要形式 10

2.3 气体放电的两大击穿理论 12

2.3.1 汤逊理论 12

2.3.2 流注理论 13

2.4 本章小结 13

第三章 实验装置与实验方法 15

3.1 实验方案的确定 15

3.1.1 大气压DBD实验参数的分析 15

3.2 实验装置系统 15

3.2.1 实验装置的介绍 15

3.2.2 实验方法 17

3.2.3电气参数计算 17

3.2.4光谱特性参数测量 19

3.3 本章小结 21

第四章 大气压Ar/O₂ DBD等离子体特性的研究 22

4.1相同含氧量不同电压对大气压DBD特性的影响 28

4.1.1 电压电流波形图变化规律 22

4.1.2 Lissajous图变化规律 23

4.1.3 发光图像变化规律 25

4.1.4 发射光谱变化规律 26

4.1.5 分子转动温度和振动温度变化规律 27

4.2 相同电压下不同含氧量对大气压DBD特性的影响 28

4.2.1 电压电流波形图变化规律 28

4.2.2 Lissajous图变化规律 29

4.2.3 发光图像变化规律 31

4.2.4 发射光谱变化规律 32

4.2.5 分子转动温度和振动温度变化规律 33

第五章 结论 35

参考文献 37

致 谢 41

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