固定功率下等离子体射流特性研究

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等离子体射流中包含多种活性物质,在生物医疗、材料处理、食物灭菌等多个领域都有广泛的应用。驱动电源的电参数(电压、频率、占空比)会直接影响射流的形貌以及活性物质的密度。大部分k Hz输出频率范围内的研究工作受限于电源性能,只探究了单一驱动参数变化对射流特性的影响,并没有在功率固定的条件下对多种驱动参数变化对射流特性造成的影响进行深入的研究和讨论。基于此,本文自主设计了一台能够在大幅改变输出电压、频率以及脉冲调制占空比的条件下稳定工作的实验用高压交流电源,并以此搭建了等离子体射流放电装置和对应的光谱学诊断系统,对固定功率下氩气等离子体射流的特性随驱动参数改变的情况进行了研究。具体研究内容如下:(1)针对实验需求自主设计了直流稳压电路,利用串联谐振原理设计了逆变、升压电路,并配套设计了对应逆变电路的驱动信号产生电路。交流电源最终能够在4到20 k Hz的频率范围内,以10%到100%的可调脉冲调制占空比,稳定输出峰峰值最高20 k V的交流电压。(2)基于自主设计的交流电源搭建了针环型介质阻挡放电等离子体射流装置,并使用光谱仪搭建了等离子体射流光学诊断系统。分析调研了多种等离子体参数的测量方法,基于此对气体温度、电子密度、电子激发温度等等离子体参数进行了测量和计算。(3)使用自主搭建的等离子体放电装置对固定功率下等离子体射流的长度随驱动参数变化的情况进行了分析,发现等离子射流的长度会随着频率下降电压升高而逐渐增加,但是在脉冲调制占空比下降电压上升时,射流长度增加的同时其内部放电均匀程度也会下降。(4)使用光谱诊断系统对固定功率时等离子体射流的各项参数以及活性物质的绝对密度进行测量,发现随着电压上升频率下降,电子之间的碰撞加强,气体温度和电子激发温度也随之上升。而在电压上升脉冲调制占空比下降时,这些参数也会同时下降。电子密度在这些驱动参数改变的过程中几乎不会变化。(5)在固定功率时,射流中臭氧(O3)的绝对密度会随着电压升高频率降低而降低,也会随着脉冲调制占空比降低而升高。这说明在一定范围内通过升高频率降低脉冲调制占空比能够最大程度提升O3的绝对密度。射流中羟基自由基(·OH)的绝对密度会随着电压上升频率下降而提高,但降低占空比而提高电压时,·OH密度反而会下降,这时气体温度也会同步降低。提高电压能够增加·OH的密度,而降低脉冲调制占空比能够在产生同样密度的·OH时降低射流的气体温度。
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