论文精选 | 脉冲功率与放电等离子体

摘要：纵向磁场是用来控制真空电弧的一种有效方式,对于真空开关来说,阳极的烧蚀状态对于真空开关的成功开断有着重要影响。因此对纵磁作用下真空开关阳极烧蚀过程的实验及仿真研究现状进行了回顾,首先,总结分析了阳极模式的分类和阳极斑点形成理论。然后,从阳极表面温度、阳极熔化和熔池旋转运动、阳极斑点温度和阳极射流3个方面分别介绍了国内外阳极区域实验研究的现状,以便深入了解阳极活动这一复杂的物理现象。并根据建模仿真的不断发展,从阳极的一维热模型,到二维阳极熔池旋转MHD模型和二维阳极偏烧模型,再到阳极活动三维瞬态模型,分别介绍了各个模型的原理和主要的仿真结果。最后,通过仿真结果与实验结果的对比,讨论了现有纵向磁场下真空开关阳极活动实验及建模仿真研究存在的不足,并指明了今后需要进一步加强的研究方向。

摘要：固体废物污染(尤其是危险废物)是全球特别是我国当前面临的最为突出的环境问题之一,热等离子体处理技术可为这些废物的合理处置提供高效安全的解决方法。文中简要介绍了等离子体炬和等离子体工艺技术的分类、异同点以及现状,在此基础上,就热等离子体在医疗垃圾、电镀污泥、废石棉、废旧武器弹药、含氯废物、垃圾焚烧飞灰、电子废物和中低放射性固体废物等领域的研究展开了综述,包括典型工艺、机制原理及相关研究现状。最后,总结了热等离子体处理危险废物无害化、资源化的近零排放潜力,分析了存在的问题和可能的发展方向。可以预见热等离子体技术将是危险废物行业一个重要的发展趋势。

摘要：大气压冷等离子体具有取代或辅助药物用于临床治疗的巨大潜力,而人们普遍认为这是等离子体产生的活性粒子起到关键作用。活性粒子对人体组织的渗透深度决定了等离子体医学的应用范围,关系到该学科的未来研究方向,但目前学术界尚缺乏统一的认识。文中从人体组织模型、动物实验和临床试验3个层面,综述了近几年等离子体对人体组织渗透作用的研究工作,分析了等离子体产生的活性粒子在渗透过程中的物理与化学行为,并讨论了几种提高活性粒子渗透深度的方法。等离子体对人体组织的渗透作用存在诸多待解的科学问题,该综述将为相关的研究工作提供参考。

摘要：金属丝在快脉冲电流驱动下,受到欧姆焦耳加热作用发生电爆炸现象,并呈现出复杂的物理和化学效应,已广泛应用于工农业生产、新材料制备和核聚变等方面。文中综述了金属丝电爆炸现象的研究历史和应用情况,分析了金属丝在不同电流作用下的物理现象和规律,提出了一种金属丝电爆炸现象的分类方法,即以金属丝注入能量快慢的不同,将金属丝电爆炸现象分为欠热电爆炸和过热电爆炸现象,在过热电爆炸现象中,根据产生的电爆炸等离子体温度的不同,分为高温等离子体和低温等离子体,该类低温等离子体在不同的介质环境中具有不同的应用特点;分析了金属丝电爆炸现象的研究现状,即金属丝电爆炸等离子体的参数诊断方法以及相关数值模拟方法,讨论了金属丝电爆炸现象研究的难点、热点问题和下一步发展方向。

摘要：在空气间隙击穿前出现电晕或辉光放电时,湿度对交流击穿电压可能会产生一定的影响,但是受影响的电极结构具体参数范围尚不清楚。为了进一步揭示空气湿度对非均匀交流电场下短间隙击穿特性的影响规律,设置电极间隙距离范围为1~5 cm和高压电极半径范围为0.1~2 cm,进行了相对湿度对空气间隙工频击穿电压影响的试验研究。在给定电极结构参数范围内,结果表明当电极半径>0.5 cm时,相对湿度对击穿电压几乎没有影响;当电极半径<0.5 cm时,相对湿度对击穿电压有一定的影响,开距越大影响越显著;当电极半径为0.3 cm时,相对湿度对击穿电压的影响最大。结合复合击穿判据进行分析,当几何结构参数大于临界值时流注击穿判据仍然是有效的,当几何结构参数小于临界值时击穿电场公式在部分区域需要考虑相对湿度进行一定的修正。结果可为非均匀空气绝缘间隙的设计提供参考。

摘要：为研究交流激励介质阻挡放电等离子体活性粒子对氢氧预混气体起爆过程的影响,仿真模拟了不同工作条件下氢氧预混气体中的等离子体放电过程,研究了混合气当量比、等离子体激励电压、频率以及电极间隙对活性粒子的影响。结果表明,当量比为4/3时电离度最高,不过当量比对O、H原子数密度的影响受到气体压力的耦合影响;电离度随着激励电压的增大而快速增大,且激励频率较低为好。电极间隙较小时出现2次放电,随着电极间隙增大,第1次放电的强度、范围逐渐增大,而第2次放电则逐渐消失,恰好仅出现1次放电时为最佳放电间隙。建议采用大直径或宽度的进气道、燃烧室,同时采用高电压进行激励。

摘要：等离子体材料表面处理包括等离子体-基底相互作用过程,绝缘或金属基底的存在会改变等离子体放电和化学气相沉积过程,进而影响沉积薄膜特性。为此重点研究大气压等离子体射流薄膜沉积体系中,等离子体射流激发态粒子和基态OH浓度发展规律,并进一步将等离子体射流放电过程与薄膜特性建立联系。结果表明：薄膜沉积过程中,检测到Ar、N₂以及OH相关谱线,有机玻璃(PMMA)基底时谱线强度略高;对于OH自由基的相对密度分布,当基底为PMMA时主要分布在管口附近,而当基底为铜(Cu)时分布在管口与基底间的整个空间区域,并且TEOS的含量增加使得其分解形成的中间产物增加,进而增加薄膜沉积速率。此外,不同的材料会造成靠近基底处的场强有较大差异,如PMMA基底处场强基本维持不变,而Cu基底处场强有所增加。通过对薄膜成分分析和对比,发现PMMA表面沉积的薄膜氧化程度更高且所含的杂质较少。通过对不同基底上沉积薄膜以及沉积过程的对比和诊断,对于理解并解决在应用中的相关问题具有重大意义。

摘要：建立合适的人体阻抗模型及准确确定其参数对评估人体接触等离子体源及装置安全性至关重要,可为等离子体生物医学应用和医用等离子体源的开发提供指导。为此针对悬浮电极介质阻挡放电(floating-electrode dielectric barrier discharge, FE-DBD)作用于人体的电学安全问题,建立了FE-DBD作用于人体时的等效电气模型,将试验测得的人体接触时FE-DBD放电特性与SIMULINK仿真计算相结合,逐步求解确定了人体阻抗模型的参数。结果表明,人体在未发生气隙击穿放电时主要呈现容性,而气隙击穿放电时,人体呈现阻容特性,可以等效为电阻与电容的并联。在纳秒脉冲激励的FE-DBD作用下,等效电容约为79 pF,等效电阻在0.1~1 MΩ范围内,结果可为低温等离子体作用于人体的等效阻抗计算、人体电学参量估算和人体安全性评估提供参考。

摘要：水中脉冲放电技术可产生过氧化氢(H₂O₂)等高氧化电位的活性物质,在工业废水处理、生物灭菌和医疗领域具有广阔的应用前景。为此采用介质涂覆的柱-筒电极结构,在气/液混相条件下,探究了通气种类(氧气和氩气)与气体流速对H₂O₂生成速率和光-电特性的影响。实验结果表明通气时气泡内部的微放电有利于活性物质生成,不同气体流速会影响H₂O₂的生成速率。过高的气体流速会导致液相扰动影响放电通道形成,降低H₂O₂产率。不同通气种类对H₂O₂生成也有较大影响,由于氧气电子亲和能较大,相比氩气更易吸附电子,导致氧气气流经过放电通道时出现通道“截断”现象。氧气发生放电反应生成氧化电位较高的自由氧原子与水剧烈反应生成羟基自由基(·OH)从而使H₂O₂的产率提升较为明显。在该研究条件下氧气体积流量为0.6 L/min时,H₂O₂生成速率最大;通入氩气时,上升气流在液面处积聚大量的气泡,气泡内放电现象较为明显,但与通氧气相比,通氩气对放电过程中H₂O₂生成速率提升较小,该研究条件下氩气体积流量为0.3 L/min时H₂O₂生成速率最大。

摘要：小型化、轻量化和重频化是当前脉冲电源的主要发展趋势。高温超导电感储能型脉冲电源具有储能密度高、损耗小和对充电功率要求低等优点而受到研究人员的关注。其中,基于高温超导脉冲变压器储能和脉冲压缩的脉冲电源模式是重要的发展方向之一。为此针对脉冲电源的重频化发展趋势,提出了一种基于高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,理论分析了该脉冲电源电路的工作过程和主要性能影响因素,构建了3 kJ的高温超导脉冲变压器线圈仿真模型,对主要性能影响因素的理论分析方法进行了仿真验证。由仿真和理论计算结果可以看出,电流放大倍数随着副边电感的增大而减小,不过,断路开关的最大电压和最大电容储能比例也都随之降低。最后,利用小型高温超导脉冲变压器搭建了连续脉冲电源的实验电路,实现了连续电流脉冲的输出。仿真和实验结果证明了这种连续脉冲电源电路的可行性。