多电极圆柱型DBD等离子体发生器的仿真分析

辛纪威，李占贤

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

近年来，低温等离子体以其设计简单、运行成本低等独特优势引起了人们越来越多的关注[1]。通常来说，产生低温等离子体的方法有多种，如直流辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动电弧放电和微波放电[2]。在这些放电方法中，介质阻挡放电可以产生大规模等离子体，更适合于材料表面处理和等离子体化学[3]。目前，DBD等离子体已在臭氧生产[4]、材料表面改性[5]、环境污染控制[6]等领域获得了广泛应用。由于DBD的放电特性，电容电流始终非常高，这将导致不均匀的处理性能，甚至对样品表面造成损坏。为了降低DBD的电容电流，本文提出了一种新型多电极圆柱型DBD等离子体发生器，研究了在不同参数下绝缘介质层表面电场强度的分布情况，为发生器的优化设计提供技术支撑。

1 多电极圆柱介质阻挡放电等离子体发生器的建模

Ansoft公司的Maxwell 2D/3D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件，可以用来分析电机、变压器等电磁装置的正常工况和故障工况等特性，具有高性能矩阵求解器和多CUP处理能力，提供了最快的求解速度。本文使用Maxwell进行仿真分析，首先通过SolidWorks制图软件搭建多电极圆柱介质阻挡放电等离子体发生器的结构模型，该发生器由几个铜箔带电极构成，相邻电极间具有相同的宽度和间隔，如图1所示，其中采用内径为12 mm、外径为14 mm、长度为100 mm的石英玻璃管作为绝缘介质，采用内径为10 mm、外径为12 mm、长度为120 mm的铜管作为高压电极同轴插入石英玻璃管中，铜箔紧密包裹在石英玻璃管的外表面作为接地电极。然后将其保存为STEP格式并导入Maxwell仿真软件，对每个结构设置材料属性，给高压电极和接地电极施加电压值，设置边界条件，添加解决方案进行分析求解。

图1 多电极圆柱介质阻挡放电装置结构示意图

2 电磁场有限元仿真及分析

当研究不同外加电压对放电特性的影响时，选用的外加电压分别为2 kV、3 kV、4 kV、5 kV；当研究不同放电长度对放电特性的影响时，选用的放电长度分别为10 mm、30 mm、50 mm、70 mm；当研究不同相邻外电极间距对放电特性的影响时，选用的相邻外电极间距分别为4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；当研究不同电极宽度对放电特性的影响时，选用的电极宽度分别为3 mm、5 mm、8 mm、10 mm。

2.1 不同外加电压对放电特性的影响

选择放电长度为10 mm、相邻外电极间距为4 mm、电极宽度为3 mm的等离子体发生器进行不同外加电压对放电特性影响的研究分析，当高压与接地电极间分别施加2 kV、3 kV、4 kV、5 kV电压时，得到不同外加电压的电场强度分布,如图2所示。

由图2可知，当高压电极与接地电极间分别施加2 kV、3 kV、4 kV、5 kV电压时，金属电极边缘区电场强度分别位于(1.05×106～2.81×106) V/m、(1.58×106～4.21×106) V/m、(2.11×106～5.62×106) V/m、(2.63×106～7.02×106) V/m区间，金属电极区电场强度分别位于(2.81×106～3.51×106) V/m、(4.21×106～5.27×106) V/m、(5.62×106～7.02×106) V/m、(7.02×106～8.78×106) V/m区间，部分金属电极区域电场强度分别位于(3.51×106～5.27×106) V/m、(5.27×106～7.90×106) V/m、(7.02×106～1.05×107) V/m、(8.78×106～1.32×107) V/m区间。通过对比分析图2(a)、(b)、(c)、(d)可得，随着外加电压的升高，石英玻璃表面的电场强度逐渐增大，越容易产生介质阻挡放电等离子体。

图2 不同外加电压的电场强度分布

2.2 不同放电长度对放电特性的影响

选择外加电压为2 kV、相邻外电极间距为4 mm、电极宽度为3 mm的等离子体发生器进行不同放电长度对放电特性影响的研究分析，当放电长度分别为10 mm、30 mm、50 mm、70 mm时，不同放电长度的电场强度分布如图3所示。

由图3可知：当放电长度分别为10 mm、30 mm、50 mm、70 mm时，金属电极边缘区电场强度分别位于(1.15×106～3.07×106) V/m、(9.55×105～2.54×106) V/m、(1.16×106～3.08×106) V/m、(1.03×106～2.73×106) V/m区间，金属电极区电场强度分别位于(3.07×106～3.84×106) V/m、(2.54×106～3.18×106) V/m、(3.08×106～3.85×106) V/m、(2.73×106～3.41×106) V/m区间，部分金属电极区域电场强度分布于(3.84×106～5.75×106) V/m、(3.18×106～4.77×106) V/m、(3.85×106～5.78×106) V/m、(3.41×106～5.11×106) V/m区间。通过对比分析图3(a)、(b)、(c)、(d)可得，放电长度为50 mm时石英玻璃表面的电场强度大于放电长度分别为10 mm、70 mm及30 mm时石英玻璃表面的电场强度。

图3 不同放电长度的电场强度分布

2.3 不同相邻外电极间距对放电特性的影响

选择外加电压为2 kV、放电长度为30 mm、电极宽度为3 mm的等离子体发生器进行不同相邻外电极间距对放电特性影响的研究分析。当相邻外电极间距分别为4 mm、6 mm、8 mm、10 mm时，不同相邻外电极间距的电场强度分布如图4所示。由图4可知：当相邻外电极间距为4 mm、6 mm、8 mm、10 mm时，金属电极边缘区电场强度分布于(1.04×106～2.77×106) V/m、(1.06×106～2.82×106) V/m、(1.01×106～2.69×106) V/m、(1.09×106～2.90×106) V/m区间，金属电极区电场强度分布于(2.77×106～3.46×106) V/m、(2.82×106～3.52×106) V/m、(2.69×106～3.36×106) V/m、(2.90×106～3.62×106) V/m区间，部分金属电极区域电场强度分布于(3.46×106～5.19×106) V/m、(3.52×106～5.28×106) V/m、(3.36×106～5.04×106) V/m、(3.62×106～5.44×106) V/m区间。通过对比分析图4(a)、(b)、(c)、(d)可得，相邻外电极间距为10 mm时石英玻璃表面的电场强度大于相邻外电极间距分别为6 mm、4 mm及8 mm时的石英玻璃表面的电场强度。

图4 不同相邻外电极间距的电场强度分布

2.4 不同电极宽度对放电特性的影响

选择外加电压为2 kV、放电长度为30 mm、相邻外电极间距为4 mm的等离子体发生器进行不同电极宽度对放电特性影响的研究分析，当电极宽度分别为3 mm、5 mm、8 mm、10 mm时，不同电极宽度的电场强度分布如图5所示。

图5 不同电极宽度的电场强度分布

由图5可知：当电极宽度为3 mm、5 mm、8 mm、10 mm时，金属电极边缘区电场强度分布于(9.72×105～2.59×106) V/m、(1.28×106～3.40×106) V/m、(9.99×105～2.66×106) V/m、(8.45×105～2.25×106) V/m区间，金属电极区电场强度分布于(2.59×106～3.24×106) V/m、(3.40×106～4.25×106) V/m、(2.66×106～3.32×106) V/m、(2.25×106～2.81×106) V/m区间，部分金属电极区域电场强度分布于(3.24×106～4.85×106) V/m、(4.25×106～6.38×106) V/m、(3.32×106～4.98×106) V/m、(2.81×106～4.22×106) V/m区间。通过对比分析图5(a)、(b)、(c)、(d)可得，电极宽度为5 mm时石英玻璃表面的电场强度大于电极宽度分别为8 mm、3 mm及10 mm时石英玻璃表面的电场强度。

3 结论

本文采用Ansoft Maxwell电磁场有限元分析软件研究了多电极圆柱介质阻挡放电等离子体发生器介质层表面电场强度的分布情况。通过分析不同外加电压、不同放电长度、不同相邻外电极间距和不同电极宽度对放电特性的影响，得出以下结论：随着外加电压的升高，石英玻璃表面的电场强度逐渐增大，越容易产生介质阻挡放电等离子体；放电长度为50 mm时石英玻璃表面的电场强度大于放电长度分别为10 mm、70 mm及30 mm时石英玻璃表面的电场强度；相邻外电极间距为10 mm时石英玻璃表面的电场强度大于相邻外电极间距分别为6 mm、4 mm及8 mm时石英玻璃表面的电场强度；电极宽度为5 mm时石英玻璃表面的电场强度大于电极宽度分别为8 mm、3 mm及10 mm时石英玻璃表面的电场强度。本文研究结果对于后续多电极圆柱介质阻挡放电等离子体发生装置的优化设计具有一定的指导意义。