大气压介质阻挡放电中介质表面电荷动态分布及其对放电特性影响研究

Since the deposition and diffusion of surface charges on the dielectric material is an important factor that impacts characteristics of dielectric barrier discharge (DBD) at atmospheric pressure, the study of its dynamic distribution features and physical mechanism is very significant for understanding the discharge characteristics under different test conditions. and also helpful for mastering the control method to generate the stable discharge. Based on researching Pockels effect measurement techniques under strong electromagnetic environment, this project aims to establish a surface charge dynamic distribution test system for atmospheric pressure DBD. The influence of such items as dielectric material, applied voltage, discharge gap, and gas environment on the surface charge distribution will be researched. Corresponding to discharge I-V characteristic, discharge image and discharge emission spectrum analysis, the influence of surface charge distribution on the evolution of discharge mode from filaments to uniformity will be thoroughly investigated. With considering the influences of surface charge distribution and photoionization effect in discharge process, a 2D simulation model about charge fluid equations will be established. Through the comprehensive analysis of simulation results and experiment results, the physical mechanism of atmospheric pressure DBD characteristics under different test conditions and the discharge mode transition from filaments to uniformity will be microscopically revealed.

大气压介质阻挡放电（DBD）中介质表面电荷的沉积和扩散是影响放电特性的重要因素，研究介质材料表面电荷的动态分布规律及其作用机制，对于深入认识不同条件下的大气压DBD放电现象、掌握大气压DBD放电形态的稳定控制方法具有重要意义。本项目通过研究强电磁环境下Pockels效应表面电荷动态分布测量的关键技术，建立大气压DBD中介质表面电荷动态分布的测量系统；研究表面电荷动态分布随介质材料、外施电压、放电间隙、气体环境等因素的变化规律；结合放电I-V特性、放电图像和放电发射光谱分析，探索介质表面电荷分布对放电形态从丝状放电模式向均匀放电模式演变的影响规律；综合考虑介质表面电荷和光电离效应的影响，建立大气压DBD的二维流体仿真模型，并根据仿真和实验结果的综合分析，对不同实验条件下大气压DBD放电特性及放电形态演变的内在机理进行微观解释。

大气压介质阻挡放电（DBD）目前在工业领域中得到了广泛应用，放电过程中介质表面电荷分布对放电特性和放电形态演变具有重要影响，研究不同实验条件下大气压DBD介质表面电荷动态分布规律，有助于揭示DBD放电形态演变过程的影响机制，从而实现对放电模式的有效控制。. 本项目建立了基于Pockels 效应的大气压 DBD 介质表面电荷动态分布测量系统，实现了μs时间分辨率的表面电荷动态观测，表面电荷密度测量范围为±2.9 nC/mm2；在大气压氦气中研究了不同气隙高度、电压幅值和电压频率下介质表面电荷分布规律，得到了丝状放电和均匀放电模式的转变条件；研究了不同气氛（空气、氮气、氦气、氩气）和不同气压下介质表面电荷分布与DBD放电特性的关系，发现了DBD中的同时放电现象，得到了当同时放电概率大于0.75时放电模式由丝状放电过渡到均匀放电模式；对传统的双电子崩耦合模型进行了修正，从理论上分析了气压和同时放电概率对放电模式的影响机制；分别研究了交流、直流电压下气流流速（0-5L/min）对介质表面电荷衰减率和表面电荷密度的影响规律，得到了不同气流作用下介质表面电荷分布的均匀性特征，以及表面残余电荷“记忆效应”对DBD放电特性的作用机制；研究了ns脉冲参数（电压幅值、频率、脉宽、升降沿）作用下DBD介质表面电荷动态分布规律和放电统计特性，得到了介质表面电荷分布对ns脉冲DBD放电特性的影响；建立了大气压DBD一维电荷流体仿真模型，对大气压氦气下的均匀放电过程和不同极性直流电压下的气隙放电序列进行了数值计算，得到了均匀放电形成过程中介质表面电荷对气隙电场的影响规律，并对放电发展过程中表面电荷演变规律进行了解释。本项目研究成果为深入认识大气压DBD介质表面电荷沉积、扩散效应对放电特性的影响、以及揭示DBD放电形态从丝状放电向均匀放电演变的内在机制提供了理论依据。