大氣壓介質(zhì)阻擋放電（DBD）能夠在常壓環(huán)境下生成非平衡等離子體，已成為備受矚目的研究領(lǐng)域。通過脈沖或交變電源激發(fā)放電，探究電源輸出特性、電源與放電發(fā)生器負載間的匹配關(guān)系以及外界條件對放電過程的影響，對于深入理解放電現(xiàn)象、提升放電效率具有重要意義。本文運用 Lissajous 圖形法，分別研究了驅(qū)動電壓、氣流速率等因素對同軸 DBD 發(fā)生器介質(zhì)層等效電容及負載幅頻特性的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，氣流速率和驅(qū)動電壓等外界條件會對 DBD 發(fā)生器的負載特性產(chǎn)生作用：介質(zhì)層等效電容隨氣流速率的增大而減小，隨驅(qū)動電壓的增大而增大；幅頻特性曲線均呈現(xiàn)出 RLC 回路諧振現(xiàn)象，諧振頻率隨氣流速率的增大而升高，隨驅(qū)動電壓的增大而降低。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)層等效電容隨頻率的變化曲線與幅頻特性曲線具有一致的特征，介質(zhì)層等效電容是導(dǎo)致電路諧振頻率動態(tài)變化的主要因素。此外，本文還提出了一種關(guān)于介質(zhì)層等效電容的形成機制。

一、引言

（1）研究背景與意義

      大氣壓介質(zhì)阻擋放電（DBD）作為產(chǎn)生非熱平衡等離子體的便捷方式，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如臭氧發(fā)生器、CO2激光器、準分子紫外光源、污染物控制與脫除以及材料表面改性等。為了獲得大面積均勻低溫等離子體，深入研究放電條件，如驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、氣隙間距、介質(zhì)成分與厚度、氣流、工作壓強等因素對放電特性的影響機制，已成為近年來 DBD 領(lǐng)域的研究熱點。

      外界條件能夠顯著影響 DBD 發(fā)生器的放電特性和放電模式，然而，目前對于其作用機制的研究尚不夠深入。例如，在大氣壓 DBD 放電中，控制 He 氣流速在一定范圍內(nèi)，可實現(xiàn)穩(wěn)定的均勻放電模式，原因是載入的 He 氣流量降低了擊穿電壓，從而可同時達到最高放電效率及 He 亞穩(wěn)態(tài)數(shù)目。不同氣流速率條件下，下游區(qū)域等離子體射流長度存在差異，可劃分為層狀模式、過渡模式與湍流模式。快速氣流能夠抑制放電過程中的熱電離不穩(wěn)定性，使空氣環(huán)境中的輝光放電更加穩(wěn)定。大氣壓氦氣 DBD 放電電流會隨著流速的增加先減小后增大，這是由于氮分子對氦亞穩(wěn)態(tài)的猝滅作用所致。研究還發(fā)現(xiàn)，氬氣和空氣混合氣體介質(zhì)阻擋放電中，放電絲結(jié)構(gòu)會隨外加電壓及氣壓的變化而改變，并且在氦等離子體射流研究中，不同外加電壓下可呈現(xiàn)類 streamer 放電和類輝光放電模式。不同驅(qū)動頻率下，氬等離子體放電模式也會發(fā)生轉(zhuǎn)變。

      放電條件的改變會導(dǎo)致放電模式的變化，進而影響放電電路的諧振特性。將電源與 DBD 發(fā)生器構(gòu)成的電路系統(tǒng)進行等效模型化，對于研究放電條件與等效電路電氣特性之間的關(guān)系具有重要意義。

為提高 DBD 發(fā)生器的放電效率，改善等離子體的均勻性，實現(xiàn)電源與負載之間的阻抗匹配至關(guān)重要。通過阻抗匹配，可使電源輸出的能量更多地耦合到發(fā)生器中，降低發(fā)生器對電源的反射功率。然而，在 DBD 過程中，驅(qū)動電壓、氣流速率等外界條件的變化可能導(dǎo)致放電系統(tǒng)的電氣特性發(fā)生動態(tài)改變，從而影響阻抗匹配的效果。DBD 通常采用方波脈沖電源或者準正弦的脈沖電源，其過程涉及等離子體點火、熄滅和亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)、復(fù)合過程，以及電荷在空間遷移和壁面吸附等復(fù)雜的宏觀、微觀過程。此外，DBD 的放電氣體和放電方式也會對電氣特性產(chǎn)生影響。因此，建立合理的電路模型，深入分析內(nèi)在影響機制，對于提高匹配效果具有重要的現(xiàn)實意義。盡管目前已有一些 DBD 放電系統(tǒng)的匹配方案報道，但大多未充分考慮氣流等條件對系統(tǒng)電學(xué)參量及放電特性的影響。本文聚焦于研究介質(zhì)層等效電容這一電學(xué)特征參量，通過實驗測量參數(shù)，結(jié)合等效電路模型，分析負載電阻、電抗與阻抗值隨驅(qū)動電壓和氣流速率的變化規(guī)律，旨在為實現(xiàn)電源與負載間的動態(tài)阻抗匹配提供有效的技術(shù)手段。

（2）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

      在國外，對于 DBD 等離子體負載的研究開展較早且較為深入。Nersisyan 和 Graham 發(fā)現(xiàn)通過控制 He 氣流速可實現(xiàn)大氣壓 DBD 穩(wěn)定均勻放電模式 。Akishev 等指出快速氣流對空氣環(huán)境中輝光放電穩(wěn)定性的影響 。這些研究從不同角度揭示了外界條件對 DBD 放電特性的作用。在動態(tài)阻抗匹配技術(shù)方面，一些研究提出了多種匹配網(wǎng)絡(luò)和控制策略 ，但在考慮復(fù)雜外界條件影響方面仍有待完善。

      國內(nèi)相關(guān)研究也取得了一定成果。江南等在氦等離子體射流研究中發(fā)現(xiàn)不同電壓下的放電模式 。劉等利用一維流體模型模擬不同驅(qū)動頻率下氬等離子體放電模式轉(zhuǎn)變 。在阻抗匹配研究上，部分學(xué)者針對特定應(yīng)用場景提出了相應(yīng)的匹配方法 ，但在全面考慮 DBD 放電過程中各種因素動態(tài)變化對阻抗匹配影響的研究還不夠系統(tǒng)。總體而言，目前對于 DBD 等離子體負載在復(fù)雜外界條件下的動態(tài)阻抗匹配技術(shù)研究尚存在不足，需要進一步深入探究。

二、DBD 等離子體負載特性分析

（1）DBD 等離子體產(chǎn)生原理

      DBD 是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電形式。在兩個電極之間插入絕緣介質(zhì)（如玻璃、陶瓷、石英等），當(dāng)施加足夠高的交變電壓時，氣體被擊穿產(chǎn)生放電現(xiàn)象。其本質(zhì)是通過絕緣介質(zhì)限制放電電流，避免形成局部弧光放電，從而在氣隙中產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的等離子體。

      當(dāng)交變電壓作用于電極時，電極間建立電場，氣體中的自由電子在電場作用下加速運動，與中性氣體分子碰撞，使分子電離產(chǎn)生更多電子和離子，形成初始電子崩。隨著放電發(fā)展，產(chǎn)生的電荷會積累在絕緣介質(zhì)表面，形成與外電場方向相反的感應(yīng)電場，抑制放電電流的進一步增大，避免弧光放電的形成。在交變電壓的正負半周，介質(zhì)表面的電荷不斷積累和釋放，維持著穩(wěn)定的微放電通道，這些微放電通道隨機分布且快速熄滅和重燃，宏觀上表現(xiàn)為均勻的放電等離子體。

（2）負載特性影響因素

1.驅(qū)動電壓的影響

      驅(qū)動電壓是影響 DBD 等離子體負載特性的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)驅(qū)動電壓發(fā)生變化時，會直接影響等離子體放電的起始、發(fā)展和穩(wěn)定狀態(tài)。隨著驅(qū)動電壓的增大，電極間電場強度增強，氣體分子更容易被電離，從而使等離子體密度增加。這會導(dǎo)致放電電流增大，同時也會影響介質(zhì)層等效電容。實驗表明，介質(zhì)層等效電容隨驅(qū)動電壓增大而增大。在實際應(yīng)用中，如在臭氧發(fā)生器中，較高的驅(qū)動電壓能夠提高臭氧的生成速率，但同時也可能帶來一些問題，如對電源功率要求提高、放電穩(wěn)定性下降等。

2.氣流速率的影響

      氣流速率對 DBD 等離子體負載特性也有著顯著影響。氣流的引入可以改變放電區(qū)域的氣體成分、溫度分布以及帶電粒子的輸運過程。增大氣流速率，一方面可以將放電產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)產(chǎn)物及時帶出，降低放電區(qū)域的溫度，抑制熱電離過程，使放電更加穩(wěn)定；另一方面，氣流會影響等離子體中粒子的濃度和分布，進而影響放電特性。研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)層等效電容隨氣流速率增大而減小，且幅頻特性曲線中的諧振頻率隨氣流速率增大而增大。在等離子體污染物控制應(yīng)用中，合適的氣流速率能夠提高污染物的去除效率，但如果氣流速率過大，可能會導(dǎo)致等離子體與污染物接觸時間過短，反而降低處理效果。

3.其他因素的影響

      除了驅(qū)動電壓和氣流速率外，還有諸多因素會對 DBD 等離子體負載特性產(chǎn)生影響。例如，驅(qū)動頻率的變化會影響放電的功率、等離子體密度和均勻性。工作電壓通常為數(shù)千伏至數(shù)十千伏，頻率范圍從工頻（50/60Hz）到兆赫茲級，不同的頻率范圍適用于不同的應(yīng)用場景。介質(zhì)的成分與厚度也會對放電特性產(chǎn)生作用，不同的介質(zhì)材料具有不同的介電常數(shù)和絕緣性能，會影響電荷在介質(zhì)表面的積累和釋放過程，從而影響放電的穩(wěn)定性和等離子體的特性。氣隙間距同樣重要，合適的氣隙間距能夠保證放電的均勻性和穩(wěn)定性，氣隙間距過大或過小都可能導(dǎo)致放電模式的改變和放電效率的降低。工作壓強的變化也會影響氣體分子的密度和平均自由程，進而影響等離子體的產(chǎn)生和特性。在高氣壓環(huán)境下，氣體分子密度大，電子與分子碰撞頻率高，有利于等離子體的產(chǎn)生，但也可能增加放電的不穩(wěn)定性；而在低氣壓環(huán)境下，氣體分子平均自由程長，電子在電場中加速距離長，更容易獲得足夠能量激發(fā)和電離氣體分子，但等離子體密度相對較低。

三、動態(tài)阻抗匹配原理

（1）阻抗匹配基本概念

      阻抗匹配是指通過調(diào)整電路中的元件參數(shù)，使電源的輸出阻抗與負載阻抗相匹配，以實現(xiàn)高效的能量傳輸。在 DBD 等離子體系統(tǒng)中，電源輸出的能量需要有效地傳輸?shù)截撦d（即 DBD 發(fā)生器）中，以維持穩(wěn)定的等離子體放電。當(dāng)電源輸出阻抗與負載阻抗不匹配時，會導(dǎo)致部分能量反射回電源，降低能量傳輸效率，同時可能影響電源的穩(wěn)定性和等離子體的放電特性。例如，若負載阻抗呈現(xiàn)容性，而電源輸出阻抗為感性，兩者不匹配會使得電路中產(chǎn)生較大的無功功率，導(dǎo)致能量浪費，且可能引起電壓波動，影響等離子體的均勻性和穩(wěn)定性。

（2）動態(tài)阻抗匹配的必要性

      在 DBD 等離子體放電過程中，由于受到驅(qū)動電壓、氣流速率、工作壓強等多種外界條件的影響，負載阻抗會發(fā)生動態(tài)變化。例如，隨著驅(qū)動電壓的升高，等離子體密度增加，負載的等效電阻和電抗會相應(yīng)改變；氣流速率的變化會影響等離子體的溫度和粒子濃度分布，進而導(dǎo)致負載阻抗變化。如果采用固定的阻抗匹配方式，無法適應(yīng)負載阻抗的動態(tài)變化，會導(dǎo)致能量傳輸效率降低，放電不穩(wěn)定。因此，需要引入動態(tài)阻抗匹配技術(shù)，實時監(jiān)測負載阻抗的變化，并相應(yīng)地調(diào)整匹配電路的參數(shù)，以保證在不同工作條件下都能實現(xiàn)高效的能量傳輸和穩(wěn)定的等離子體放電。

（3）動態(tài)阻抗匹配實現(xiàn)方式

      實現(xiàn)動態(tài)阻抗匹配的方式有多種，常見的包括采用可變電容、可變電感組成的匹配網(wǎng)絡(luò)，通過自動控制系統(tǒng)實時調(diào)整電容和電感的值來匹配負載阻抗的變化；利用智能算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，根據(jù)實時監(jiān)測到的負載阻抗信息，計算出最佳的匹配參數(shù)，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整匹配電路；還可以采用數(shù)字信號處理器（DSP）或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等數(shù)字控制芯片，實現(xiàn)對匹配過程的精確控制。例如，在一些實驗裝置中，通過在電源與 DBD 發(fā)生器之間接入由可變電容和可變電感組成的 LC 匹配網(wǎng)絡(luò)，利用高精度的電壓和電流傳感器實時監(jiān)測負載端的電壓和電流信號，經(jīng)過計算得到負載阻抗，再通過控制系統(tǒng)調(diào)整可變電容和電感的值，使匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗與負載阻抗相匹配，從而實現(xiàn)動態(tài)阻抗匹配。

四、實驗研究

（1）實驗裝置與方法

1.實驗裝置搭建

      實驗采用的主要裝置包括同軸 DBD 發(fā)生器、驅(qū)動電源、測量設(shè)備等。同軸 DBD 發(fā)生器由內(nèi)電極、外電極和中間的絕緣介質(zhì)層組成，絕緣介質(zhì)層采用石英材料。驅(qū)動電源為可提供不同頻率和電壓幅值的交流電源。測量設(shè)備包括 Tektronix P2000 型高壓探頭（帶寬為 200MHz）用于測量放電電壓，Tektronix TCP312 型電流探頭用于測量放電電流，Tektronix TCPA300 型數(shù)字示波器用于采集電壓和電流信號。此外，還使用了一個大小為 16.4nF 的電容 Cs 與反應(yīng)器串聯(lián)，用于采集介質(zhì)板上積累電荷。在中頻交流電源和 DBD 等離子體反應(yīng)器之間并聯(lián) LC 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括 1nF 高壓電容 C1、在 47 - 300pF 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的電容 C2 及 2.7 - 32H 的電感 L 。

2.Lissajous 圖形法測量原理

      本文利用放電電壓與電流波形獲得 Lissajous 圖形，并對大氣壓同軸 DBD 發(fā)生器進行電學(xué)診斷。為測量 DBD 放電電極之間的遷移電荷 Q，采用電流探頭直接測量 DBD 電流信號，將電流信號對時間積分得到轉(zhuǎn)移電荷量 Q，最后得到 Q - V Lissajous 圖形。采用編制的 Lissajous 圖形參數(shù)計算程序處理實驗數(shù)據(jù)。通過分析 Lissajous 圖形的形狀和參數(shù)，可以得到放電發(fā)生器等效介質(zhì)層電容值隨驅(qū)動電壓和氣流速率條件變化的動態(tài)變化規(guī)律，以及驅(qū)動電壓和氣流速率對發(fā)生器負載幅頻特性的影響規(guī)律。

（2）實驗結(jié)果與分析

1.介質(zhì)層等效電容變化規(guī)律

      實驗發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)層等效電容隨氣流速率和驅(qū)動電壓的變化呈現(xiàn)出特定規(guī)律。在不同驅(qū)動頻率下，介質(zhì)層等效電容隨氣流速率的變化情況不同。在 28kHz，7kV 條件下，放電功率相對較小，在 40kHz，7.7kV 條件下，放電功率增大，氣流速率較小時，介質(zhì)層等效電容變化較緩慢；在 35kHz，7.4kV 條件下，變化特性居于上述兩種情況之間。這表明介質(zhì)層等效電容的變化與放電功率有關(guān)，且在不同電源參數(shù)下，其隨氣流速率的變化率不同。同時，介質(zhì)層等效電容隨驅(qū)動電壓增大而增大，這是因為驅(qū)動電壓升高，等離子體密度增加，使得介質(zhì)表面積累的電荷增多，從而導(dǎo)致等效電容增大。

2.負載幅頻特性分析

      工作于不同驅(qū)動頻率時，發(fā)生器負載上的電壓隨氣流速率變化的關(guān)系可表現(xiàn)出截然相反趨勢。當(dāng)驅(qū)動電壓幅值為 7.25kV，驅(qū)動頻率為 28kHz 時，增加氣流速率負載電壓隨之減小；而當(dāng)驅(qū)動頻率為 40kHz 時，負載電壓隨氣流速率的增大呈增大趨勢。諧振特性是 DBD 發(fā)生器的重要特征之一，發(fā)生器與電源輸出之間的匹配狀態(tài)決定了系統(tǒng)的放電效率，工作于諧振頻率時系統(tǒng)的功率效率高。增加氣流速率，諧振頻率逐漸增大，同時，增大氣流速率，諧振負載電壓也逐漸升高；當(dāng)驅(qū)動頻率在小于諧振頻率的區(qū)域內(nèi)變化時，發(fā)生器負載電壓變化率較大，表現(xiàn)出明顯的容性負載特征。在驅(qū)動頻率處于 32kHz 附近，不同氣流速率對應(yīng)的負載電壓近似相等，約 7kV，說明工作于此頻率的放電狀態(tài)受氣流的影響很小，這對 DBD 應(yīng)用中穩(wěn)定放電狀態(tài)具有一定的指導(dǎo)意義。

五、動態(tài)阻抗匹配技術(shù)應(yīng)用

（1）在等離子體發(fā)生器中的應(yīng)用

      在等離子體發(fā)生器中應(yīng)用動態(tài)阻抗匹配技術(shù)，能夠顯著提高其性能。通過實時監(jiān)測負載阻抗的變化，并及時調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可使電源輸出的能量更高效地傳輸?shù)降入x子體發(fā)生器中，從而提高等離子體的產(chǎn)生效率和穩(wěn)定性。在材料表面改性應(yīng)用中，穩(wěn)定且高效的等離子體源能夠使材料表面處理效果更加均勻、一致，提高材料的表面性能。動態(tài)阻抗匹配技術(shù)還可以降低電源的負擔(dān)，延長電源的使用壽命，減少設(shè)備維護成本。由于能夠適應(yīng)不同工作條件下負載阻抗的變化，等離子體發(fā)生器的應(yīng)用范圍也得到了拓展，可以在更復(fù)雜的環(huán)境和工藝要求下穩(wěn)定運行。

（2）在其他相關(guān)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

      除了在等離子體發(fā)生器中的直接應(yīng)用，動態(tài)阻抗匹配技術(shù)在其他相關(guān)領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價值。在污染物控制與脫除領(lǐng)域，DBD 等離子體可用于處理廢氣、廢水等污染物。動態(tài)阻抗匹配技術(shù)能夠保證在不同污染物濃度、氣流速率等條件下，等離子體放電穩(wěn)定且高效，從而提高污染物的去除效率。在準分子紫外光源領(lǐng)域，通過動態(tài)阻抗匹配優(yōu)化等離子體放電，可提高紫外光源的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，為相關(guān)光化學(xué)反應(yīng)提供更穩(wěn)定、高效的光源。在一些需要精確控制等離子體參數(shù)的科研實驗中，動態(tài)阻抗匹配技術(shù)能夠確保實驗條件的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，有助于科研人員獲得更準確的實驗結(jié)果，推動相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究進展。

六、結(jié)論

      本文通過對 DBD 等離子體負載的動態(tài)阻抗匹配技術(shù)進行研究，得出以下主要結(jié)論：外界條件如驅(qū)動電壓和氣流速率對 DBD 發(fā)生器的負載特性有顯著影響，介質(zhì)層等效電容隨氣流速率增大而減小，隨驅(qū)動電壓增大而增大；幅頻特性曲線呈現(xiàn) RLC 回路諧振現(xiàn)象，諧振頻率隨氣流速率增大而增大，隨驅(qū)動電壓增大而減小，且介質(zhì)層等效電容是影響電路諧振頻率動態(tài)變化的主要因素。通過 Lissajous 圖形法實驗測量，獲得了介質(zhì)層等效電容及負載幅頻特性隨外界條件變化的規(guī)律。動態(tài)阻抗匹配技術(shù)對于提高 DBD 等離子體系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，能夠適應(yīng)負載阻抗的動態(tài)變化，實現(xiàn)高效的能量傳輸和穩(wěn)定的等離子體放電。

產(chǎn)品展示

      SSC-DBD3050介質(zhì)阻擋放電等離子體電源，使用了公司智能控制技術(shù)生產(chǎn)，具有負載匹配范圍寬，體積小，重量輕，效率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作容易但功能強大，穩(wěn)定可靠，等優(yōu)點。電路采用模塊化設(shè)計，調(diào)試維修方便。本電源完善保護，使電源能夠工作于各種復(fù)雜的環(huán)境，中英文提示功能，使問題清晰準確。