低温等离子体放电管放电形式的发光分析
Luminosity Analysis of Lo w-T em perature Plasm a Discharge Reactor
regard to Discharg e Conditions
葛自良1,马宁生1,章昌奕1,赵国华2,耿政松2,施宪法2
(1.同济大学物理系,上海200092; 2.同济大学化学系,上海200092)
摘 要 通过实验研究从发光强度空间分布及发光主截面积两方面分析了低温等离子体放电管的放电形式,指出复合放电效果优于表面放电及无声放电,同时放电管的结构也对放电效果产生很大的影响。
Abstract T his paper analy zes dischar ge co nditio ns of lo w-temperat ur e plasma discharg e r eact or ba sed lumino us intensity distr ibutio n and lumino us ar ea o f no rmal section, it show s clear ly t ha t,the effect of super imposed bar r ier dischar ge is hig her t han t hat o f sur face o r silent discharg e. Constr uction of the discharg e reacto r is also affect t he dischar ge effect.
关键词 放电形式 发光主截面积 发光强度
Key words dischar g e condition lum inous ar ea of nor mal sect ion luminous intensity
中图分类号 O53;T M8 文献标识码 A
0 引 言
近年来臭氧合成、烟气脱硫脱硝等工业生产已广泛用放电等离子体技术,因对其反应过程的机理知之甚少,反应过程中可变参数又很多,现行普遍采用的无声放电形式能耗甚高,且缺乏必要的监测与调控手段,生产效率低下。
其后开发出的表面放电、复合放电等各种新型放电形式[1],主要仍借助于经验办法,仅在实验室中进行研究,难于满足需求[2]。
本研究以放电管作为优化研究的对象,采用物理、化学等分析方法解析放电等离子体现象,以期设计出结构合理的放电管来适用于各种低温等离子体反应器。
下面对低温等离子体放电管的放电形式进行发光分析。
1 实验装置及方法
研究的放电管见图1,中心电极为长250mm、直径25mm的铜管,其外表面附着一层厚1.2mm 的平整光滑、均匀致密的Al2O3介质层。
介质层上螺旋状绕贴着宽2m m的铝箔作为内电极,铝箔螺距为3mm。
外直径42.4m m的玻璃管同轴地套在铜管外,厚1.6m m的玻璃管壁内张附着16目的线径为0.2mm的不锈钢丝网作外电极,中心电极加高压,内电极接地时介质层上发生表面放电;当外电极接地时介质层作为阻挡层,在玻璃管内侧的空隙间发生无声放电;当内外电极一起接地时在介质层上发生表面放电的同时,玻璃管内侧的空隙间又发生
无声放电而形成复合放电。
图1 放电管示意图
工作电源采用ns级脉冲高压电源,可产生上升沿～20ns、50次/s的高压正脉冲,以在放电管内快速建立强电场,形成瞬时功率密度很大的脉冲放电,但因供电脉冲窄,离子几乎未获得加速,温度无明显上升,而电子在较短时间内获得较大能量,这样形成的低温等离子体有利于化学反应[3]。
实验在暗室中进行,室温25℃,相对湿度79%,用数码相机对不同电压下发生表面放电、无声放电和复合放电的放电管分别摄影,摄影条件为光圈3.8,快门速度0.1s,通过计算机处理分析记录下来的气体电离时的发光现象。
2 放电形式的发光强度空间分布
空气电离时的发光含有大量的紫外成分,暗室中摄影放电管的放电发光只能记录可见光范围内的发光信息,经计算机处理得到的放电管可见光发光强度二维空间分布图象见图2,可见复合放电时发光强度的空间分布是表面放电、无声放电时两者发光强度空间分布的叠加。
比较图2d与a、b可知,放电管采用复合放电形式,可在输入电能小于单独放电情况下,取得相应的发光强度空间分布。
这样不仅降低了能耗,还扩大了有效放电空间,收到了表面放电、无声放电时两者效果的叠加效应,就此而言复合放电形成的低温等离子体较有利于化学反应。
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2002年2月 高电压技术 第28卷第2期 同济大学理科发展基金资助项目
图2 放电管发光强度的空间分布
脉冲高压下的低温等离子体放电管应处于均衡的此起彼伏的间歇微弱放电状态中,反映在放电管发光强度二维空间分布图象上,应是一片相对均匀的淡墨色。
从图2三种放电形式的放电管发光强度空间分布图象中,都可见二小块或连成一片的浓墨团,说明该部位正在激烈地放电,这不仅热损耗大,还加速离子,使温度上升,这样形成的低温等离子体
并不有利于化学反应[4]。
以上发光强度空间分布的不均匀图象,说明放电管结构不够合理,例如2mm 的铝箔内电极显得过宽,3m m 的铝箔螺距则显得过窄;16目的不锈钢丝网外电极也显得过密等,使空间中某些部位放电过于激烈,造成了发光强度空间分布图象上的浓墨团。
3 放电形式的发光主截面积
低温等离子体放电管是等离子体化学反应的反应器,有效放电空间的大小,是该反应充分进行的必要条件。
放电管结构设计的目的是扩大有效放电空间,放电管发光面积可反映有效放电空间的大小。
由计算机处理各种脉冲电压下的放电管发光强度二维空间分布图象得到的放电管主截面发光面积(用“格”表示)与施加电压的关系见图3。
可见放电管上施加相同脉冲电压,复合放电时的发光主截面积大于无声放电时的面积。
这是因为复合放电由表面放电、无声放电复合而成,其发光强度的空间分布为中心电极与内电极和与外电极间放电两者叠加,而相同脉冲电压下无声放电的发光主截面积又大于表面放电的。
同一放电管空间中复合放电形式可扩
大有效放电空间,有利于等离子体化学反应。
图3中无声放电时的发光主截面积,自20kV
起略大于表面放电时的,说明其有效放电空间仅略大于表面放电时的,反映放电管未能充分地发生无声放电。
分析发光主截面积可知,该放电管的结构存在着不足,如外电极与中心电极间5.7mm 的放电空隙显得过宽。
图3 发光主截面积与施加电压的关系
此外图3曲线中还存在着一个平台,即当施加的脉冲电压从20kV 上升至22kV 时,3种放电形式的放电管发光主截面积基本上均未随之增加。
仅从放电发光强度空间分布及发光主截面积分析,很难对低温等离子体化学反应进行全面评估。
对此将使用其他物理、化学等分析方法,对低温等离子体放电管进行更深入的解析研究。
4 结 论
a .复合放电形式不仅可降低能耗,还可扩大有效放电空间,其效果明显优于表面放电及无声放电这两种放电形式。
b.优化放电管结构可提高放电效率。
参
考
文
献
1 葛自良,马宁生,章昌奕.烟气脱硝的低温等离子体放电形式的述评.电工电能新技术,2001,20(4):512 国家自然科学基金委员会.电工科学.自然科学学科发展战略调研报告.北京:科学出版社,19943 刘钟阳,吴彦,王宁会.双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究.高电压技术,2001,27(2):284 Rea M.Ev aluat ion of pulse v oltag e genera tor s.IEEE T r ans Ind A ppl ,1995,31(3):507
(收稿日期 2001-08-22)
葛自良 1948年生,工学博士,副教授,从事静电放电及应用研究,
电话:(021)65609544。
・42・ Feb.2002 HIGH V OLT AGE ENGINEERING Vo l.28No.2。