高重复频率纳秒脉冲放电特性

2022-01-27李帅康黄邦斗

南昌大学学报（理科版） 2021年6期

邵涛，李帅康，黄邦斗，章程

(1.中国科学院电工研究所，等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

非平衡态等离子体中电子温度和离子温度相差较大，能够促进一些常规条件下苛刻的化学反应进行[1-2]。其电子能量较高，气体温度偏低，故不易对生物组织造成不利影响[3-4]故非平衡态等离子体在生物医疗[5-6]、表面改性[7]、能源转化[8]、环境治理[9]、流动控制[10]、点火助燃[11]等诸多领域应用广泛，并展现出良好的应用前景。

等离子体产生方式较为多样化，包括火花放电[12-13]、介质阻挡放电[14-15]等。火花放电注入到等离子体中的能量较高，产生的电子数量较多。大气压介质阻挡放电更为弥散，相对更均匀，但放电功率相对较低。常见的驱动放电的高压电源包括直流高压电源、交流高压电源、高压脉冲电源[16]等。直流放电不能驱动介质阻挡放电，交流高压放电气体温度偏高。脉冲放电对负载要求较小，不存在负载匹配问题。

纳秒脉冲放电由于上升时间较短，放电通常在超过10倍过电压下的情况产生。但由于脉冲上升时间和半高宽极短，仅为纳秒级，放电发展的时间极其有限，电子碰撞过程持续的时间相对较短，放电通道难以热化，故碰撞出的电子总数较少，即电子密度较低。电子密度较低，平均约化场强较高，因而电子能量较高，易于产生高能逃逸电子，可产生快速电离波。同时，由于脉宽较窄，放电通道加热时间在纳秒级。放电通道热化时间很短，难以发展成为平衡态等离子体。故纳秒脉冲放电的气体温度偏低，放电更为弥散，适用范围更为广泛。但受限于脉宽较窄，单脉冲能量有限，如果脉冲重复频率过低，产生的活性粒子数量有限。为解决这一困境，提高脉冲重复频率势在必行。国内外研究人员也据此研制了许多脉冲电源。

纳秒脉冲电源是产生纳秒脉冲放电的基础。性能优异的纳秒脉冲电源是当前的研究热点之一。纳秒脉冲电源的重要参数包括输出电压幅值、上升时间、脉冲半高宽、脉冲重复频率等。其中脉冲重复频率和上升时间较为关键，在极大程度上影响着产生的非平衡等离子体的状态参数。近年来，许多研究人员的研究成果提升了脉冲电源的各种参数性能。基于漂移阶跃恢复二极管技术，以色列研究人员Merensky制作了上升时间短于1 ns，脉冲重复频率高达1 MHz的重频纳秒脉冲电源，但其电压幅值仅有2.2 kV[17]。金属氧化物场效应晶体管通断速度较快，耐压较高，可产生重复频率较高的脉冲。重庆大学姚陈果等人据此研制了脉冲重复频率可达10 MHz的脉冲电源，但其电压幅值不到500 V[18]。韩国研究人员Kim等人据此研制了电压幅值可达1.8 kV脉冲电源，其重复频率可达1 MHz[19]。中科院电工所李帅康等人报道了输出电压幅值可达25 kV，连续运行重复频率可达600 Hz的重频纳秒脉冲电源[16]。磁压缩技术可产生电压幅值较高的电压脉冲。南京理工大学李凯等人基于磁压缩技术研制了输出电压幅值可达70 kV的纳秒脉冲电源，但受限于磁芯发热，其重复频率较低[20]。

脉冲重复频率较高时，注入放电能量随之增加。产生的等离子体能量较高。但重复频率较高时，放电通道出现了热化加重的现象。为产生较大规模的低温等离子体，需了解其放电通道热化现象出现的原因。故开展高重频纳秒脉冲放电特性的研究具有重要的意义。本文使用重复频率高压脉冲驱动大气压火花放电，并研究其放电参数变化，分析放电状态。使用光谱仪测量放电时的光谱，并计算放电时电子温度随脉冲重复频率的影响。

1 实验装置

实验装置图如图1所示，使用自行研制的高重复频率纳秒脉冲电源驱动大气压火花放电[21]。电压幅值为5 kV，脉冲上升时间为12 ns，空载情况下重复频率1～100 kHz连续可调，火花放电时脉冲重复频率在1 Hz～30 kHz连续可调。脉冲重复性较好，不同脉冲的各参数抖动较小，对实验结果影响较小。放电时保持上升时间和脉宽不变，只改变脉冲重复频率观察重频脉冲放电时的等离子体参数变化。

图1 实验装置示意图

使用针-针电极放电，电极间隙为1 mm，电极直径为2 mm。由于放电在纳秒级的时间尺度内完成，故需使用高采样率的示波器进行击穿电压和击穿时延的观测。使用高压探头(PINTECH P6028A)和示波器(LeCroy Wave Runner/WR204Xi 2 GHz)配合观测放电电压波形，使用罗氏线圈(Pearson 4100)和示波器配合观测放电电流参数变化情况。使用光谱仪(复享光学PG2000-PRO-3)测量氩气气氛中的发射光谱，并使用玻尔兹曼图法拟合电子温度，探究电子温度随脉冲重复频率的变化。

2 实验结果与讨论

首先使用针针电极进行放电。火花放电图像如图2所示，可以看出发光较强，放电较为剧烈。图3为频率为1 kHz时单个脉冲放电电压及电流波形，明显可以看出电压达到3.79 kV之后发生击穿，体现为电压迅速下降到较小值，同时电流急剧增加。改变放电频率，观测了击穿电压和击穿时延随脉冲重复频率的变化情况，进而分析重频脉冲放电和单个脉冲放电的区别和联系。然后，使用光谱仪观察不同频率放电时的发射光谱，使用玻尔兹曼图法诊断等离子体电子温度随频率的变化情况。

图2 纳秒脉冲火花放电图像

t/ns

2.1 击穿电压与击穿时延

观察针-针放电时击穿电压和击穿时延随频率的变化情况。放电间隙为1 mm。放电电极为钨电极。前人也有对重频放电时的击穿电压和击穿时延开展研究，但受限于电源重频性能，研究范围大多集中在5 kHz以下的范围内。实验观察了更宽频率范围内击穿参数。

图4给出了不同频率下击穿参数的变化。结果显示击穿电压和击穿时延随频率的增加而不断下降。相比于重复频率低于1 kHz的结果，发现在更高频范围内变化趋势没有发生变化，仅是击穿电压和击穿时延下降在15 kHz时出现饱和。

频率/kHz

由于负载为1 mm针针放电间隙，其体积较小，电容较小，可近似看作阻性。使用电压乘以电流作为瞬时功率的波形，再对其进行积分得出单脉冲能量。单脉冲能量随频率变化的情况如图5所示。其展现出相对复杂的趋势，随频率的增加，单脉冲能量先增加，再减小，最后继续增加。频率不同时，记忆效应通过影响放电发展改变脉冲注入能量。

频率/kHz

2.2 电子温度

纳秒脉冲放电由于脉宽较窄，放电通道加热时间也相应较短。电场能量主要用于电子加速，离子由于质量较大，加速较为缓慢。故电子温度和离子温度相差较大，等离子体状态为非平衡态。为进一步验证纳秒脉冲放电产生的等离子体为非平衡态等离子体，观测了纳秒脉冲放电时产生的光谱。使用玻尔兹曼图法拟合电子温度。根据文献中的结果，电子从能级i跃迁到能级j时，满足下式[22-23]。

(1)

λ/nm

根据式(1)拟合出玻尔兹曼图，拟合结果如图7所示，可见数据点比较分散，相距较远，故拟合结果比较可信。然后根据直线斜率计算出不同频率放电时的电子温度，如图8所示。当脉冲重复频率小于5 kHz时，电子温度为～2.5 eV，而10 kHz以上时，电子温度降低至～0.8 eV。由于火花放电典型气体温度在700～3000 K之间[24]，故此时电子温度(8 000～30 000 K)远高于气体温度，此时放电仍为典型的非平衡态等离子体。电子能量和温度正相关，电子温度较高表明电子能量较高。

-(Ei-Ej)/k

λ/nm

2.3 结果与讨论

高重复频率下脉冲放电中击穿电压和击穿时延下降与记忆效应有关[1]。先前脉冲放电产生的电荷具有一定的寿命，残余在电极间隙中。残余电荷提供了电子崩发生的初始电荷，使放电更容易发生，降低了间隙的绝缘强度，表现为击穿电压和击穿时延下降。放电产生的带电粒子中，电子速度较快，寿命极短，对后续放电产生的影响较小，正离子寿命较长，对后续脉冲电场起到一定的畸变作用。

记忆效应对脉冲注入放电的能量具有较为复杂的影响。当频率较低时(<5 kHz)，记忆效应粒子残余较少，记忆效应比较弱，放电难以发生。记忆效应随着频率的增加而不断加强，间隙绝缘强度变弱，放电越来越容易发生，击穿时间越来越早。在相同宽度的脉冲情况下，放电发生的越早，放电持续的时间就越长，故而放电持续时间变长，单脉冲注入放电的能量增加。当频率在5～15 kHz之间，记忆效应较为显著，击穿电压大幅下降。击穿电压较小时，放电电流峰值也较小，导致放电功率下降。进而单脉冲能量变小。表现为记忆效应不利于能量注入。当频率大于15 kHz时，击穿电压下降趋势出现饱和现象，故单脉冲能量表现为缓慢增加。

根据玻尔兹曼图法拟合电子温度，发现电子温度整体较高，明显高于常规火花放电的气体温度[24]。据此可知重频纳秒脉冲放电产生的等离子体为非平衡态等离子体。由于放电发生时刻提前，放电持续时间增加，放电电流增加，即放电间隙总的电子数量增加，平均到每个电子上的能量变小。放电频率变高时，残余到下一次脉冲的电子数量增加，则在下一次放电初期有更多的电子崩同时发展，相当于同样的能量分散到更多的电子上，单个电子分得的能量变小。10 kHz左右时，等离子体电子温度急剧下降，对比发现单脉冲注入能量也出现下降现象。这是由于在该频率范围内残余电荷导致击穿电压下降，不利于脉冲能量的注入。