射频功率放大器在辉光放电特征及风速测量原理中的应用

实验名称：辉光放电特征及风速测量原理

研究方向：辉光放电

测试设备：信号发生器、ATA-8202射频功率放大器，热成像仪、万用表、等离子体传感器

实验过程：

在等离子体形成条件和流场响应机制的基础上，可以明确影响放电稳定性和等离子体风速测试技术性能的主要参数包括：激励装置的电参数、电极间距、电极宽度、电极材料、气体的成分及其热力学参数。以上任一个参数的研究，需保证实验中对它的可控性和可测量性。因此，首先需要完成对辉光放电系统和流场实验装置的搭建。电晕放电过渡到辉光放电，需要电源在电极两端加载约1kV的有效电压，而这一击穿电压，极易使辉光向火花放电转变，并烧毁电极。因此，电路中需添加保护电阻以控制电流在一定的范围内。从研究中可知，放电电流达到10mA左右，正常辉光放电开始向反常辉光放电转变。为保证放电模式维持在正常辉光放电阶段，研究中选用100kΩ电阻串接到放电电路以限制电流的变化。

图2.7为测试系统连接示意图，放电电压的监测是通过衰减比1000：1的高压探针连接至示波器，记录放电波形和数据，并最终回传至电脑存储。电流的监测是通过测量1kΩ标准电阻两端电压，经过计算获得。在放电实验中，分别使用高压直流电源和射频电源。其中，高压直流电是由输出较小的信号发生器电压经功率放大器放大后得到。

图：测试系统连接示意图

为保证辉光放电和后端电路的阻抗匹配以及调制功率下的高压输出，电源输出端先连接至阻抗匹配器，再经由自行设计的高频变压器进行放大。

信号测试端分别使用示波器和多功能万用表。热成像仪主要用于拍摄和记录放电时的等离子体分布和对应电流下的电极温度，保证放电操作在合适的电流下以免损坏电极。

为了探寻各变量对放电和等离子体风速测量技术的影响，需进行单一变量控制实验，所搭建的实验台需能够实现电极间距的调整、对准、快速更换和流速测试等操作，其设计和实物如图2.8所示，主要包括标准风速计、三维移动平台微型夹具、工业相机和气流源。所使用的标准气动探针是两款量程不一样的皮托管，不确定度均为1%，测量流速范围分别为0~120m/s和0300m/s，固定在放电电极的上方，与辉光放电产生的等离子体同时感受来流速度。三维移动平台的控制精度为10um，搭载的微型夹具可夹持200um以上的电极丝，在工业相机的辅助下，完成电极间距的调整和同轴对准。所示流场出口是直径为20mm的不锈钢管，其另一端经由管道连接至气流源。实验分别使用大功率鼓风机和高压气源作为流场发生装置，由功率调节器或精密调压阀进行流速大小的控制。

图：辉光放电流场测试平台

直流辉光放电的从阴极到阳极可以划分为：阿斯顿暗区、阴极光层、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极区，如图2.9所示，放电稳定后，间隙内存在明显的分层光区，但随着间隙的减小，正柱区和法拉第暗区消失，放电只观察到耀眼的光斑。与长间隙低压放电所得到的结果不同，空气中短间隙下辉光放电产生的等离子体更为集中。从阴极开始，最贴近电极表面位置为阿斯顿暗区该区域电子的能量还不足以引起激发电离，因此不存在辐射发光。进入到阴极光层，电子能量已达到电离所需的激发能，在放电过程中可观察到靠近电极表面的微弱光层。在阴极暗区，只有部分电子还能与分子发生碰撞电离反应，因此光强有所减弱。进入到负辉区后，电势基本不发生变化，因此该区域电子和离子速度最小，并形成高密度电荷区，电子和离子复合最为频繁，慢电子与气体分子发生激发碰撞的概率加大，所以发光增强，在短间隙内形成最高亮度。阳极区附近，电子受电场加速，与分子发生碰撞激发，并发出弱光。

图：直流辉光放电

当间隙内形成稳定的直流辉光放电，电路内产生了具有一定周期的震荡，由示波器记录的阳极电位输出波形和频谱如图2.10所示。因为离子迁移速度小于电子的迁移速度，造成阴极位降区(阴极和负辉区之间的区域)内的离子密度大于电子密度，阴极附近正电荷的累积会削弱原来直流电作用下阳极到阴极的电场强度，使得碰撞电离反应速率降低，因此间隙内电荷数量减少，阳极电位增大。当阴极位降区内离子的补充速度小于离子到达阴极后被中和的速度，空间内正离子数量开始减少，对电场的削弱能力有所降低，电子繁流反应速率得到恢复，增加了间隙内的电荷数量，因此电路电流有所增大，阳极的电势将有所降低。电离得到的正电荷将再次补充到阴极位降区形成电荷累积，并重复上述过程。实验检测到该过程存在一定的重复周期，震荡频率约为23kHz。

图：直流辉光放电阳极电势

图：直流辉光放电仿真结果

交流辉光放电过程相对直流放电更为复杂，放电不断经历着熄灭、维持和再击穿的过程。交流辉光放电图像及电压、电流的波形如图2.12所示，放电区间被分为两个部分：鞘层和等离子体区。

图：交流辉光放电

实验中先将生成的正弦调制信号输入信号放大器，和直流辉光放电相仿，由于电子的迁移速度远大于离子，所以每一种物质的通量是不相等的，时均电荷分布主要集中于等离子体区，电极相对等离子体区带负电位，这一段电场强度大、电荷密度小的空间区域被称为鞘层。因为交流电作用下电位处于浮动变化，所以等离子体区在间隙内来回震荡。

为进一步分析交流电驱动下放电特征，将上述仿真模型电源参数改为后续实验变压器工作频率140kHz，电压幅值使放电的有效电为15mAms得到交流辉光放电物理参数的变化如图2.13所。放电电压和电流的波形与实验测到的结果大致相当，在每个周期0.15T位置电压出现峰值，电流开始增大，此时间隙内的气体将被击穿并形成放电：到0.47T位置，电荷密度快速下降，辉光熄灭，直到下半个周期重新击穿。交流辉光放电过程间隙内电荷密度变化范围为10°~102m，产生的电荷在阳极和阴极附近交聚集，两个电极轮流承受电荷轰击，所以它们的表面都会受到侵蚀。

图：交流辉光放电仿真结果

因为交流电场中离子到达电极表面的平均速度只有4000m/s，是直流放电的四分之一，所以对电极的溅射损伤弱于直流放电。从轴线上电荷速度的分布特点可知，交流辉光放电在流场作用下，等离子体区内的慢速离子先发生逃逸，因为慢速离子密度大，所以辉光放电对流速表现出的灵敏度也相对较大。随着流场速度的增大，离子逃逸现象发展到鞘层，而这部分电荷密度相对较小，因此表现出的灵敏度应也有所降低。

交流辉光放电空间内离子平均迁移速度约为10m/s，穿过80um间隙所需的时间约10%s。根据分析，辉光放电离子的迁移速度决定了交流辉光放电允许加载的最高频率，因此基于该原理风速测量技术的频响上限可达到15MHz，完全满足压气机对非稳态流场的测试。

为了进一步证实上述仿真分析所得出的结论，实验选用直径为250um的不锈钢材料作为电极，调整电极间距为80um，使用热成像仪摄获取不同电流下的电极温度，结果如图2.14所示。开始时，电极表面温度大致相当，但随着电流的提高，两种放电类型电极温度的差异逐渐增大。其中，直流辉光放电在阴极产生明显的红热，而阳极并未受到明显的影响；交流辉光放电两电极形成对称烧蚀，电极温度略低于直流辉光放电。当电流为1.5mAms时，直流放电引起的温升比交流放电引起的温升高出近50°C。可见，交流辉光放电对电极的侵蚀能力确实在一定程度上比直流辉光放电弱，这使得电极的使用寿命相对较长。

图：直流辉光放电与交流辉光放电对比

实验结果：

上述两种放电模式下的电流变化量随流速增大均逐渐趋于平缓，这与仿真的预期的结果一致，可见辉光放电对电极产生的烧蚀、溅射以及对风速的响应规律灵敏度与间隙内离子速度和电荷密度的分布有密切关系。直流放电虽伴随强烈的非对称烧蚀和较低的频响，但较小的放电电流下即可实现较大的量程，因此在稳定的高速流场中更具有应用潜力。改用交流电源驱动，相同的放电电流下虽然量程较小，但载波频率的可调控性使其频响上限远高于直流放电，并且输出波动较小，放电更具有稳定性，因此交流辉光放电更适合于频响要求较高的非稳态测试。

安泰ATA-8202射频功率放大器（工作频率100kHz~20MHz，额定输出功率100W）：

图：ATA-8202射频功率放大器

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