三电极非热电弧发生器放电模式的实验研究_王志斌
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本文提出了一种三电极非热电弧等离子体发生 器 结 构 设 计 ，通 过 引 入 浮 动 电 极 ，降 低 了 非 热 电 弧 的 点火电压，测量了不 同 工 作 参 数 （如 弧 电 流、工 作 气
体流量等）下气体放电的伏－安特性和放电模式 以及 等离子体区域的 气 体 温 度。 实 验 研 究 表 明，采 用 本 文提出的三电极结 构 的 等 离 子 体 发 生 器，基 于 表 面 介质阻挡放电的辅 助，可 以 在 较 低 的 点 火 电 压 下 产 生稳定的非热电弧放电等离子体；所产生的等 离 子 体气体温度在２．０×１０３～３．０×１０３Ｋ 之 间；在 不 同 的 弧 电 流 、不 同 的 等 离 子 体 工 作 气 体 流 量 下 ，存 在 非 热电 弧 放 电、表 面 介 质 阻 挡 放 电、非 热 电 弧－表 面 介 质阻挡混合放电等不同的放电模式。
由于气体放电等离子体中含有大量的化学活性 粒 子 （如 电 子 、离 子 、处 于 激 发 态 的 原 子 、分 子 以 及 自 由基等），其在等离子体材料表面改性、微纳米材 料 制 备 、气 体 净 化 、废 弃 物 处 理 等 领 域 有 着 广 阔 的 应 用 前景。在各种等离 子 体 源 中，有 关 大 气 压 条 件 下 产 生的非平衡气体放 电 等 离 子 体 源 （其 中 的 电 子 温 度 不 等 于 重 粒 子 温 度 ，且 明 显 高 于 重 粒 子 温 度 ）的 研 究 受到了国内外研 究 者 的 广 泛 关 注。 一 方 面，由 于 大 气压气体放电不需 要 真 空 腔，降 低 了 设 备 的 建 造 和 维护成本、解决了实 际 应 用 过 程 中 受 真 空 腔 体 积 限 制的问题，同时使得 整 个 等 离 子 体 材 料 加 工 过 程 操 作 更 加 灵 活 方 便 。 此 外 ，在 一 些 特 殊 情 况 下 （如 等 离 子体战地生化清洗 等）只 能 采 用 大 气 压 气 体 放 电 技 术［１］。另一方面，在不同的应用领域，对于等离 子 体 的放电功率、热力学 非 平 衡 程 度 以 及 化 学 反 应 的 选 择性要求也不尽 相 同。 与 气 体 温 度 为 １０４Ｋ 左 右 的 电弧放电热等离子体和气体温度接近室温的辉光放 电冷等离子体相比，大 气 压 非 热 电 弧 放 电 具 有 高 电 压－低电流的特点，所产生的非热电弧等离子体具 有 适 中 的 气 体 温 度 （约 为 ２．０×１０３ ～４．０×１０３Ｋ［２］）和 活 性 粒 子 浓 度 水 平，且 包 含 有 不 同 种 类 的 化 学 活 性 基 团，许多化学性质稳定的物质都可以在这种等离子体 条 件 下 进 行 较 完 全 的 化 学 反 应 。 因 此 ，非 热 电 弧 等 离 子 体 将 在 合 成 气 制 备，甲 烷 及 液 态 烃 的 蒸 气 重 整 反 应，脱硫／脱硝，挥发性有机物、多环芳烃、二 噁 英、呋
图 １ 非 热 电 弧 放 电 等 离 子 体 实 验 平 台 示 意 图
本文采用的三电极非热电弧等离子体发生器整 体 结 构 如 图 ２ａ所 示 ，图 ２ｂ 和 ２ｃ分 别 从 两 个 不 同 方 向给出了发生器各 部 件 间 的 组 合 关 系，其 中 两 个 主 电极为水冷铜电极，主 电 极 与 浮 动 电 极 间 采 用 厚 度 为０．５ｍｍ 的 聚 四 氟 乙 烯 板 进 行 绝 缘。 工 作 气 体 （空气）通过发生器 的 进 气 孔 进 入 发 生 器 腔 体 内，并 通过多孔 绝 缘 筛 板 进 入 两 水 冷 主 电 极 之 间 的 放 电 区 ；在 主 电 极 与 浮 动 电 极 之 间 以 及 两 主 电 极 间 的 交
１ 实 验 装 置
本文研究所 采 用 的 等 离 子 体 实 验 平 台 （如 图 １ 所示）包括大气压 三 电 极 非 热 电 弧 放 电 等 离 子 体 发 生系统、电特性测量 系 统 和 发 射 光 谱 测 量 系 统 ３ 大 部分。其中等离子 体 发 生 系 统 包 括 配 气 系 统、高 压 交 流 电 源 和 三 电 极 非 热 电 弧 等 离 子 体 发 生 器 ；电 特 性测量系统包 括 示 波 器（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＤＰＯ４０３４）及 与 之 配 套 使 用 的 电 压 探 头 （Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ Ｐ６０１５Ａ）和 电 流 探 头 （Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＣＰ２０２）；发 射 光 谱 测 量 系 统 主 要 包括光纤 （直 径 ０．６ ｍｍ，数 值 孔 径 ０．２２，波 长 范 围 ２００～１ １００ｎｍ）、光 纤 光 谱 仪 （Ａｖａｎｔｅｓ ＡｖａＳｐｅｃ－ ３６４８）、二 维 平 移 台 及 用 于 信 号 采 集 的 计 算 机 。
（１．清华大学 工程物理系，北京 １０００８４；２．兰州交通大学 热能工程系，兰州 ７３００７０）
摘 要：该文提出 了 一 种 三 电 极 非 热 电 弧 等 离 子 体 发 生 器 结构设计，通过引入 浮 动 电 极，降 低 了 非 热 电 弧 放 电 的 点 火 电压，获得了 稳 态 的 非 热 电 弧 放 电 等 离 子 体 。 实 验 结 果 表 明：采用该三电极结构的等离子体发生器所产生的等 离 子 体 气体温度在２．０×１０３～３．０×１０３ Ｋ 之 间；在 其 他 参 数 保 持 不变的情况下，随着 等 离 子 体 工 作 气 体 流 量 的 增 加，存 在 非 热电弧放电、非 热 电 弧－介 质 阻 挡 混 合 放 电 和 表 面 介 质 阻 挡 放电３种不同的 放 电 模 式；在 等 离 子 体 工 作 气 体 流 量 不 变 的情况下，增加电源的输入功率将有利于使放电保持 在 非 热 电弧放电模式下。三电极结构的非热电弧发生器有助于实 际应用中在较低的外加电压下产生非热电弧等离子 体，并 在 较大的气体流量下维持非热电弧等离子体的工作状态。
关 键 词 ：等 离 子 体 ；非 热 电 弧 ；放 电 模 式
中 图 分 类 号 ：ＴＫ １２４ 文 章 编 号 ：１０００－００５４（２０１４）０１－００７３－０５
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
ＷＡＮＧ Ｚｈｉｂｉｎ１，ＣＨＥＮ Ｇｕｏｘｕ１，２，ＷＡＮＧ Ｚｈｅ１， ＧＥ Ｎａｎ１，ＬＩ Ｈｅｐｉｎｇ１，ＢＡＯ Ｃｈｅｎｇｙｕ１
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＴｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ （ＤＢＤ）ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｎｄ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｔｈｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ａ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｔｈｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ２．０ × １０３ － ３．０ × １０３ Ｋ ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｓ，ｉ．ｅ．，ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｍｏｄｅ，ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ－ＤＢＤ ｈｙｂｒｉｄ ｍｏｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ＤＢＤ ｍｏｄｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｗｈｉｌｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｐｕｔ ａｔ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ
ＩＣＳＳＮＮ １ １１０－２０２０２－３０／０５Ｎ４ Ｊ清 Ｔ华ｓｉｎ大ｇｈ学ｕａ学 Ｕｎ报ｉｖ（（Ｓ自ｃｉ然 ＆科Ｔｅ学ｃｈ版ｎｏ）ｌ），２２００１１４４年，Ｖ第ｏｌ５．４５４卷，
第１期 Ｎｏ．１
１１／２１ ７３－７７
三电极非热电弧发生器放电模式的实验研究
王 志 斌１ ， 陈 国 旭１，２ ， 王 哲１ ， 葛 楠１ ， 李 和 平１ ， 包 成 玉１
ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａｓ ａｔ ｌｏｗ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅｓ，ａｎｄ ｆｏｒ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｓｍａ；ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅ
wenku.baidu.com ７４
清 华 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
２０１４，５４（１）
喃等的分解反应等方面具有良好的应用前景［３－６］。 目前文献中报道的大气压非热电弧放电等离子
体 通 常 采 用 滑 动 电 弧 （气 流 驱 动 、磁 驱 动 ）放 电 、高 压 直流放 电、高 压 交 流 放 电 等 方 式 产 生 。 ［２，４，７－８］ 由 于 大气压 条 件 下 空 气 的 临 界 击 穿 场 强 较 高 （３２ｋＶ／ ｃｍ）［９］，从而使得等 离 子 体 发 生 器 放 电 区 两 电 极 间 距离通常 较 小 以 降 低 气 体 的 击 穿 电 压。 而 另 一 方 面，在实际应用中需 要 气 体 放 电 所 形 成 的 非 热 电 弧 等离子体具有较 大 的 体 积。 因 此，在 滑 动 电 弧 放 电 中 ，通 常 采 用 两 个 非 平 行 的 金 属 电 极 ，气 体 在 两 电 极 间距离最小处击穿 产 生 放 电 后，在 气 流 或 磁 场 的 驱 动下向下游运动从而获得较大体积的等离子体。由 于气流的作用，滑动电弧放电通常处于非稳态放电模 式下，且在较大的等离子体工作气体流量下容易产生 灭弧。在文［８］中则采用了同轴型的等离子体发生器 结构，气体在内外电极间放电后在发生器环形喷嘴的 下游形成具有一定体积的非热电弧等离子体。采用 这种放电结构产生的放电虽然相对比较稳定，但随着 电极间距离的增大，气体的击穿电压会显著升高。
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－１２ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （１１０３５００５） 作 者 简 介 ：王 志 斌 （１９８５— ），男 （汉 ），河 北 ，博 士 研 究 生 。 通 信 作 者 ：李 和 平 ，副 研 究 员 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｈｅｐｉｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
体流量等）下气体放电的伏－安特性和放电模式 以及 等离子体区域的 气 体 温 度。 实 验 研 究 表 明，采 用 本 文提出的三电极结 构 的 等 离 子 体 发 生 器，基 于 表 面 介质阻挡放电的辅 助，可 以 在 较 低 的 点 火 电 压 下 产 生稳定的非热电弧放电等离子体；所产生的等 离 子 体气体温度在２．０×１０３～３．０×１０３Ｋ 之 间；在 不 同 的 弧 电 流 、不 同 的 等 离 子 体 工 作 气 体 流 量 下 ，存 在 非 热电 弧 放 电、表 面 介 质 阻 挡 放 电、非 热 电 弧－表 面 介 质阻挡混合放电等不同的放电模式。
由于气体放电等离子体中含有大量的化学活性 粒 子 （如 电 子 、离 子 、处 于 激 发 态 的 原 子 、分 子 以 及 自 由基等），其在等离子体材料表面改性、微纳米材 料 制 备 、气 体 净 化 、废 弃 物 处 理 等 领 域 有 着 广 阔 的 应 用 前景。在各种等离 子 体 源 中，有 关 大 气 压 条 件 下 产 生的非平衡气体放 电 等 离 子 体 源 （其 中 的 电 子 温 度 不 等 于 重 粒 子 温 度 ，且 明 显 高 于 重 粒 子 温 度 ）的 研 究 受到了国内外研 究 者 的 广 泛 关 注。 一 方 面，由 于 大 气压气体放电不需 要 真 空 腔，降 低 了 设 备 的 建 造 和 维护成本、解决了实 际 应 用 过 程 中 受 真 空 腔 体 积 限 制的问题，同时使得 整 个 等 离 子 体 材 料 加 工 过 程 操 作 更 加 灵 活 方 便 。 此 外 ，在 一 些 特 殊 情 况 下 （如 等 离 子体战地生化清洗 等）只 能 采 用 大 气 压 气 体 放 电 技 术［１］。另一方面，在不同的应用领域，对于等离 子 体 的放电功率、热力学 非 平 衡 程 度 以 及 化 学 反 应 的 选 择性要求也不尽 相 同。 与 气 体 温 度 为 １０４Ｋ 左 右 的 电弧放电热等离子体和气体温度接近室温的辉光放 电冷等离子体相比，大 气 压 非 热 电 弧 放 电 具 有 高 电 压－低电流的特点，所产生的非热电弧等离子体具 有 适 中 的 气 体 温 度 （约 为 ２．０×１０３ ～４．０×１０３Ｋ［２］）和 活 性 粒 子 浓 度 水 平，且 包 含 有 不 同 种 类 的 化 学 活 性 基 团，许多化学性质稳定的物质都可以在这种等离子体 条 件 下 进 行 较 完 全 的 化 学 反 应 。 因 此 ，非 热 电 弧 等 离 子 体 将 在 合 成 气 制 备，甲 烷 及 液 态 烃 的 蒸 气 重 整 反 应，脱硫／脱硝，挥发性有机物、多环芳烃、二 噁 英、呋
图 １ 非 热 电 弧 放 电 等 离 子 体 实 验 平 台 示 意 图
本文采用的三电极非热电弧等离子体发生器整 体 结 构 如 图 ２ａ所 示 ，图 ２ｂ 和 ２ｃ分 别 从 两 个 不 同 方 向给出了发生器各 部 件 间 的 组 合 关 系，其 中 两 个 主 电极为水冷铜电极，主 电 极 与 浮 动 电 极 间 采 用 厚 度 为０．５ｍｍ 的 聚 四 氟 乙 烯 板 进 行 绝 缘。 工 作 气 体 （空气）通过发生器 的 进 气 孔 进 入 发 生 器 腔 体 内，并 通过多孔 绝 缘 筛 板 进 入 两 水 冷 主 电 极 之 间 的 放 电 区 ；在 主 电 极 与 浮 动 电 极 之 间 以 及 两 主 电 极 间 的 交
１ 实 验 装 置
本文研究所 采 用 的 等 离 子 体 实 验 平 台 （如 图 １ 所示）包括大气压 三 电 极 非 热 电 弧 放 电 等 离 子 体 发 生系统、电特性测量 系 统 和 发 射 光 谱 测 量 系 统 ３ 大 部分。其中等离子 体 发 生 系 统 包 括 配 气 系 统、高 压 交 流 电 源 和 三 电 极 非 热 电 弧 等 离 子 体 发 生 器 ；电 特 性测量系统包 括 示 波 器（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＤＰＯ４０３４）及 与 之 配 套 使 用 的 电 压 探 头 （Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ Ｐ６０１５Ａ）和 电 流 探 头 （Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＣＰ２０２）；发 射 光 谱 测 量 系 统 主 要 包括光纤 （直 径 ０．６ ｍｍ，数 值 孔 径 ０．２２，波 长 范 围 ２００～１ １００ｎｍ）、光 纤 光 谱 仪 （Ａｖａｎｔｅｓ ＡｖａＳｐｅｃ－ ３６４８）、二 维 平 移 台 及 用 于 信 号 采 集 的 计 算 机 。
（１．清华大学 工程物理系，北京 １０００８４；２．兰州交通大学 热能工程系，兰州 ７３００７０）
摘 要：该文提出 了 一 种 三 电 极 非 热 电 弧 等 离 子 体 发 生 器 结构设计，通过引入 浮 动 电 极，降 低 了 非 热 电 弧 放 电 的 点 火 电压，获得了 稳 态 的 非 热 电 弧 放 电 等 离 子 体 。 实 验 结 果 表 明：采用该三电极结构的等离子体发生器所产生的等 离 子 体 气体温度在２．０×１０３～３．０×１０３ Ｋ 之 间；在 其 他 参 数 保 持 不变的情况下，随着 等 离 子 体 工 作 气 体 流 量 的 增 加，存 在 非 热电弧放电、非 热 电 弧－介 质 阻 挡 混 合 放 电 和 表 面 介 质 阻 挡 放电３种不同的 放 电 模 式；在 等 离 子 体 工 作 气 体 流 量 不 变 的情况下，增加电源的输入功率将有利于使放电保持 在 非 热 电弧放电模式下。三电极结构的非热电弧发生器有助于实 际应用中在较低的外加电压下产生非热电弧等离子 体，并 在 较大的气体流量下维持非热电弧等离子体的工作状态。
关 键 词 ：等 离 子 体 ；非 热 电 弧 ；放 电 模 式
中 图 分 类 号 ：ＴＫ １２４ 文 章 编 号 ：１０００－００５４（２０１４）０１－００７３－０５
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
ＷＡＮＧ Ｚｈｉｂｉｎ１，ＣＨＥＮ Ｇｕｏｘｕ１，２，ＷＡＮＧ Ｚｈｅ１， ＧＥ Ｎａｎ１，ＬＩ Ｈｅｐｉｎｇ１，ＢＡＯ Ｃｈｅｎｇｙｕ１
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＴｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ （ＤＢＤ）ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｎｄ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｔｈｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ａ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｔｈｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ２．０ × １０３ － ３．０ × １０３ Ｋ ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｓ，ｉ．ｅ．，ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｍｏｄｅ，ｔｈｅ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ－ＤＢＤ ｈｙｂｒｉｄ ｍｏｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ＤＢＤ ｍｏｄｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｗｈｉｌｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｐｕｔ ａｔ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ
ＩＣＳＳＮＮ １ １１０－２０２０２－３０／０５Ｎ４ Ｊ清 Ｔ华ｓｉｎ大ｇｈ学ｕａ学 Ｕｎ报ｉｖ（（Ｓ自ｃｉ然 ＆科Ｔｅ学ｃｈ版ｎｏ）ｌ），２２００１１４４年，Ｖ第ｏｌ５．４５４卷，
第１期 Ｎｏ．１
１１／２１ ７３－７７
三电极非热电弧发生器放电模式的实验研究
王 志 斌１ ， 陈 国 旭１，２ ， 王 哲１ ， 葛 楠１ ， 李 和 平１ ， 包 成 玉１
ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｐｌａｓｍａｓ ａｔ ｌｏｗ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅｓ，ａｎｄ ｆｏｒ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｓｍａ；ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ａｒｃ；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅ
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清 华 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
２０１４，５４（１）
喃等的分解反应等方面具有良好的应用前景［３－６］。 目前文献中报道的大气压非热电弧放电等离子
体 通 常 采 用 滑 动 电 弧 （气 流 驱 动 、磁 驱 动 ）放 电 、高 压 直流放 电、高 压 交 流 放 电 等 方 式 产 生 。 ［２，４，７－８］ 由 于 大气压 条 件 下 空 气 的 临 界 击 穿 场 强 较 高 （３２ｋＶ／ ｃｍ）［９］，从而使得等 离 子 体 发 生 器 放 电 区 两 电 极 间 距离通常 较 小 以 降 低 气 体 的 击 穿 电 压。 而 另 一 方 面，在实际应用中需 要 气 体 放 电 所 形 成 的 非 热 电 弧 等离子体具有较 大 的 体 积。 因 此，在 滑 动 电 弧 放 电 中 ，通 常 采 用 两 个 非 平 行 的 金 属 电 极 ，气 体 在 两 电 极 间距离最小处击穿 产 生 放 电 后，在 气 流 或 磁 场 的 驱 动下向下游运动从而获得较大体积的等离子体。由 于气流的作用，滑动电弧放电通常处于非稳态放电模 式下，且在较大的等离子体工作气体流量下容易产生 灭弧。在文［８］中则采用了同轴型的等离子体发生器 结构，气体在内外电极间放电后在发生器环形喷嘴的 下游形成具有一定体积的非热电弧等离子体。采用 这种放电结构产生的放电虽然相对比较稳定，但随着 电极间距离的增大，气体的击穿电压会显著升高。
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－１２ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （１１０３５００５） 作 者 简 介 ：王 志 斌 （１９８５— ），男 （汉 ），河 北 ，博 士 研 究 生 。 通 信 作 者 ：李 和 平 ，副 研 究 员 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｈｅｐｉｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ