射頻功率放大器在輝光放電特征及風(fēng)速測(cè)量原理中的應(yīng)用

?實(shí)驗(yàn)名稱：輝光放電特征及風(fēng)速測(cè)量原理

研究方向：輝光放電

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-8202射頻功率放大器，熱成像儀、萬(wàn)用表、等離子體傳感器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

在等離子體形成條件和流場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，可以明確影響放電穩(wěn)定性和等離子體風(fēng)速測(cè)試技術(shù)性能的主要參數(shù)包括：激勵(lì)裝置的電參數(shù)、電極間距、電極寬度、電極材料、氣體的成分及其熱力學(xué)參數(shù)。以上任一個(gè)參數(shù)的研究，需保證實(shí)驗(yàn)中對(duì)它的可控性和可測(cè)量性。因此，首先需要完成對(duì)輝光放電系統(tǒng)和流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。電暈放電過(guò)渡到輝光放電，需要電源在電極兩端加載約1kV的有效電壓，而這一擊穿電壓，極易使輝光向火花放電轉(zhuǎn)變，并燒毀電極。因此，電路中需添加保護(hù)電阻以控制電流在一定的范圍內(nèi)。從研究中可知，放電電流達(dá)到10mA左右，正常輝光放電開(kāi)始向反常輝光放電轉(zhuǎn)變。為保證放電模式維持在正常輝光放電階段，研究中選用100kΩ電阻串接到放電電路以限制電流的變化。

圖2.7為測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖，放電電壓的監(jiān)測(cè)是通過(guò)衰減比1000：1的高壓探針連接至示波器，記錄放電波形和數(shù)據(jù)，并最終回傳至電腦存儲(chǔ)。電流的監(jiān)測(cè)是通過(guò)測(cè)量1kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得。在放電實(shí)驗(yàn)中，分別使用高壓直流電源和射頻電源。其中，高壓直流電是由輸出較小的信號(hào)發(fā)生器電壓經(jīng)功率放大器放大后得到。

圖：測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

為保證輝光放電和后端電路的阻抗匹配以及調(diào)制功率下的高壓輸出，電源輸出端先連接至阻抗匹配器，再經(jīng)由自行設(shè)計(jì)的高頻變壓器進(jìn)行放大。

信號(hào)測(cè)試端分別使用示波器和多功能萬(wàn)用表。熱成像儀主要用于拍攝和記錄放電時(shí)的等離子體分布和對(duì)應(yīng)電流下的電極溫度，保證放電操作在合適的電流下以免損壞電極。

為了探尋各變量對(duì)放電和等離子體風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的影響，需進(jìn)行單一變量控制實(shí)驗(yàn)，所搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)需能夠?qū)崿F(xiàn)電極間距的調(diào)整、對(duì)準(zhǔn)、快速更換和流速測(cè)試等操作，其設(shè)計(jì)和實(shí)物如圖2.8所示，主要包括標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)、三維移動(dòng)平臺(tái)微型夾具、工業(yè)相機(jī)和氣流源。所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)探針是兩款量程不一樣的皮托管，不確定度均為1%，測(cè)量流速范圍分別為0~120m/s和0300m/s，固定在放電電極的上方，與輝光放電產(chǎn)生的等離子體同時(shí)感受來(lái)流速度。三維移動(dòng)平臺(tái)的控制精度為10um，搭載的微型夾具可夾持200um以上的電極絲，在工業(yè)相機(jī)的輔助下，完成電極間距的調(diào)整和同軸對(duì)準(zhǔn)。所示流場(chǎng)出口是直徑為20mm的不銹鋼管，其另一端經(jīng)由管道連接至氣流源。實(shí)驗(yàn)分別使用大功率鼓風(fēng)機(jī)和高壓氣源作為流場(chǎng)發(fā)生裝置，由功率調(diào)節(jié)器或精密調(diào)壓閥進(jìn)行流速大小的控制。

圖：輝光放電流場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)

直流輝光放電的從陰極到陽(yáng)極可以劃分為：阿斯頓暗區(qū)、陰極光層、陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽(yáng)極區(qū)，如圖2.9所示，放電穩(wěn)定后，間隙內(nèi)存在明顯的分層光區(qū)，但隨著間隙的減小，正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)消失，放電只觀察到耀眼的光斑。與長(zhǎng)間隙低壓放電所得到的結(jié)果不同，空氣中短間隙下輝光放電產(chǎn)生的等離子體更為集中。從陰極開(kāi)始，最貼近電極表面位置為阿斯頓暗區(qū)該區(qū)域電子的能量還不足以引起激發(fā)電離，因此不存在輻射發(fā)光。進(jìn)入到陰極光層，電子能量已達(dá)到電離所需的激發(fā)能，在放電過(guò)程中可觀察到靠近電極表面的微弱光層。在陰極暗區(qū)，只有部分電子還能與分子發(fā)生碰撞電離反應(yīng)，因此光強(qiáng)有所減弱。進(jìn)入到負(fù)輝區(qū)后，電勢(shì)基本不發(fā)生變化，因此該區(qū)域電子和離子速度最小，并形成高密度電荷區(qū)，電子和離子復(fù)合最為頻繁，慢電子與氣體分子發(fā)生激發(fā)碰撞的概率加大，所以發(fā)光增強(qiáng)，在短間隙內(nèi)形成最高亮度。陽(yáng)極區(qū)附近，電子受電場(chǎng)加速，與分子發(fā)生碰撞激發(fā)，并發(fā)出弱光。

圖：直流輝光放電

當(dāng)間隙內(nèi)形成穩(wěn)定的直流輝光放電，電路內(nèi)產(chǎn)生了具有一定周期的震蕩，由示波器記錄的陽(yáng)極電位輸出波形和頻譜如圖2.10所示。因?yàn)殡x子遷移速度小于電子的遷移速度，造成陰極位降區(qū)(陰極和負(fù)輝區(qū)之間的區(qū)域)內(nèi)的離子密度大于電子密度，陰極附近正電荷的累積會(huì)削弱原來(lái)直流電作用下陽(yáng)極到陰極的電場(chǎng)強(qiáng)度，使得碰撞電離反應(yīng)速率降低，因此間隙內(nèi)電荷數(shù)量減少，陽(yáng)極電位增大。當(dāng)陰極位降區(qū)內(nèi)離子的補(bǔ)充速度小于離子到達(dá)陰極后被中和的速度，空間內(nèi)正離子數(shù)量開(kāi)始減少，對(duì)電場(chǎng)的削弱能力有所降低，電子繁流反應(yīng)速率得到恢復(fù)，增加了間隙內(nèi)的電荷數(shù)量，因此電路電流有所增大，陽(yáng)極的電勢(shì)將有所降低。電離得到的正電荷將再次補(bǔ)充到陰極位降區(qū)形成電荷累積，并重復(fù)上述過(guò)程。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到該過(guò)程存在一定的重復(fù)周期，震蕩頻率約為23kHz。

圖：直流輝光放電陽(yáng)極電勢(shì)

圖：直流輝光放電仿真結(jié)果

交流輝光放電過(guò)程相對(duì)直流放電更為復(fù)雜，放電不斷經(jīng)歷著熄滅、維持和再擊穿的過(guò)程。交流輝光放電圖像及電壓、電流的波形如圖2.12所示，放電區(qū)間被分為兩個(gè)部分：鞘層和等離子體區(qū)。

圖：交流輝光放電

實(shí)驗(yàn)中先將生成的正弦調(diào)制信號(hào)輸入信號(hào)放大器，和直流輝光放電相仿，由于電子的遷移速度遠(yuǎn)大于離子，所以每一種物質(zhì)的通量是不相等的，時(shí)均電荷分布主要集中于等離子體區(qū)，電極相對(duì)等離子體區(qū)帶負(fù)電位，這一段電場(chǎng)強(qiáng)度大、電荷密度小的空間區(qū)域被稱為鞘層。因?yàn)榻涣麟娮饔孟码娢惶幱诟?dòng)變化，所以等離子體區(qū)在間隙內(nèi)來(lái)回震蕩。

為進(jìn)一步分析交流電驅(qū)動(dòng)下放電特征，將上述仿真模型電源參數(shù)改為后續(xù)實(shí)驗(yàn)變壓器工作頻率140kHz，電壓幅值使放電的有效電為15mAms得到交流輝光放電物理參數(shù)的變化如圖2.13所。放電電壓和電流的波形與實(shí)驗(yàn)測(cè)到的結(jié)果大致相當(dāng)，在每個(gè)周期0.15T位置電壓出現(xiàn)峰值，電流開(kāi)始增大，此時(shí)間隙內(nèi)的氣體將被擊穿并形成放電：到0.47T位置，電荷密度快速下降，輝光熄滅，直到下半個(gè)周期重新?lián)舸?。交流輝光放電過(guò)程間隙內(nèi)電荷密度變化范圍為10°~102m，產(chǎn)生的電荷在陽(yáng)極和陰極附近交聚集，兩個(gè)電極輪流承受電荷轟擊，所以它們的表面都會(huì)受到侵蝕。

圖：交流輝光放電仿真結(jié)果

因?yàn)榻涣麟妶?chǎng)中離子到達(dá)電極表面的平均速度只有4000m/s，是直流放電的四分之一，所以對(duì)電極的濺射損傷弱于直流放電。從軸線上電荷速度的分布特點(diǎn)可知，交流輝光放電在流場(chǎng)作用下，等離子體區(qū)內(nèi)的慢速離子先發(fā)生逃逸，因?yàn)槁匐x子密度大，所以輝光放電對(duì)流速表現(xiàn)出的靈敏度也相對(duì)較大。隨著流場(chǎng)速度的增大，離子逃逸現(xiàn)象發(fā)展到鞘層，而這部分電荷密度相對(duì)較小，因此表現(xiàn)出的靈敏度應(yīng)也有所降低。

交流輝光放電空間內(nèi)離子平均遷移速度約為10m/s，穿過(guò)80um間隙所需的時(shí)間約10%s。根據(jù)分析，輝光放電離子的遷移速度決定了交流輝光放電允許加載的最高頻率，因此基于該原理風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的頻響上限可達(dá)到15MHz，完全滿足壓氣機(jī)對(duì)非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的測(cè)試。

為了進(jìn)一步證實(shí)上述仿真分析所得出的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)選用直徑為250um的不銹鋼材料作為電極，調(diào)整電極間距為80um，使用熱成像儀攝獲取不同電流下的電極溫度，結(jié)果如圖2.14所示。開(kāi)始時(shí)，電極表面溫度大致相當(dāng)，但隨著電流的提高，兩種放電類型電極溫度的差異逐漸增大。其中，直流輝光放電在陰極產(chǎn)生明顯的紅熱，而陽(yáng)極并未受到明顯的影響；交流輝光放電兩電極形成對(duì)稱燒蝕，電極溫度略低于直流輝光放電。當(dāng)電流為1.5mAms時(shí)，直流放電引起的溫升比交流放電引起的溫升高出近50°C?？梢?jiàn)，交流輝光放電對(duì)電極的侵蝕能力確實(shí)在一定程度上比直流輝光放電弱，這使得電極的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

圖：直流輝光放電與交流輝光放電對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

上述兩種放電模式下的電流變化量隨流速增大均逐漸趨于平緩，這與仿真的預(yù)期的結(jié)果一致，可見(jiàn)輝光放電對(duì)電極產(chǎn)生的燒蝕、濺射以及對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)規(guī)律靈敏度與間隙內(nèi)離子速度和電荷密度的分布有密切關(guān)系。直流放電雖伴隨強(qiáng)烈的非對(duì)稱燒蝕和較低的頻響，但較小的放電電流下即可實(shí)現(xiàn)較大的量程，因此在穩(wěn)定的高速流場(chǎng)中更具有應(yīng)用潛力。改用交流電源驅(qū)動(dòng)，相同的放電電流下雖然量程較小，但載波頻率的可調(diào)控性使其頻響上限遠(yuǎn)高于直流放電，并且輸出波動(dòng)較小，放電更具有穩(wěn)定性，因此交流輝光放電更適合于頻響要求較高的非穩(wěn)態(tài)測(cè)試。

安泰ATA-8202射頻功率放大器（工作頻率100kHz~20MHz，額定輸出功率100W）：

圖：ATA-8202射頻功率放大器

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