两相体介质阻挡放电中放电形式的转化

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低温等离子体技术因能量密度高、反应效率高、能耗低而被广泛应用在污染治理中,如臭氧发生器、填充床反应器降解NOx、SOX和VOC以及其他气体。两相体介质阻挡放电(TPM-DBD)作为一种在大气压下产生低温等离子体的重要方法,凭借其副产物少、可以选择性地参与反应等优势已成为众多学者研究的热点,本文着重研究TPM-DBD中放电形式转化的影响机制。实验主要以γ-Al2O3等作为填充介质颗粒,借助连体的数码相机与体视显微镜拍摄放电显微照片。实验发现,TPM-DBD中存在四种放电形式。当电压较低时,首先在颗粒与极板间发生剩余间隙放电;随着电压增加,沿着颗粒的表面发生表面放电;电压继续增加,在颗粒间的孔隙中发生孔隙放电;当电压足够高时,两电极之间直接气隙击穿,发生典型的丝状放电。这四种放电形式构成了两相体中全部区域的放电。实验发现影响孔隙放电的机制。当颗粒间距L很大时,每个颗粒的放电独立发展。在外加电压很高时,在颗粒的远区发生典型的丝状放电,颗粒的近区则为无丝状放电发生的放电“暗区”。用LM表征放电“暗区”的大小,即在距颗粒的LM范围内无丝状放电。当L不断减小至较小时,颗粒间不发生丝状放电,孔隙放电强度不断增强,颗粒表面放电不断削弱。特别当L=0时,颗粒孔隙内只有一条竖直发展的明亮的孔隙放电通道,并在赤道面附近转向两侧的颗粒。实验发现影响剩余间隙放电的机制。随着电压不断升高,剩余间隙放电呈现出四种不同的形式:剩余间隙击穿、“暗”放电、“准暗”放电和全域击穿。特别当dr=0时,形成均匀放电的放电“暗区”,即“暗”放电。电场分布的计算结果表明:dr引起剩余间隙内气隙场强的畸变,dr越小则场强畸变越大,同时由于气隙长度Lg限制电子崩/流注的发展,导致剩余间隙放电出现不同的放电形式;由于颗粒近区内的赤道面气隙场强极小,接触极表面存在一个场强极小处,这使得颗粒的近区(<LM)内电子崩无法沿着轴向正常发展,从而抑制了丝状放电的发生;LM大小与粒径直接相关,R越大则LM越大,同时LM还与介电常数ε有重要关系,ε越大则LM越小且趋于一个与粒径有关的极值;当L不断减小,赤道面上的场强不断减小且趋于极小值,颗粒两极的气隙场强增大且畸变主要发生在孔隙的中间区域,从而削弱表面放电、增强孔隙放电。总之,在两相体介质阻挡放电中,可以通过控制固体颗粒的尺度(剩余间隙dr、颗粒间距L、粒径D)、颗粒的介电特性、颗粒的表面特性等方式获得不同的放电形式,如表面放电、丝状放电(剩余间隙放电、孔隙放电、体积放电)。这为工业应用中提高等离子体的反应效率提供了支持和新的思路,如等离子体催化反应中当L≈2LM时可以获得最大的表面催化效率。
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