氣體放電中幾種四邊形斑圖的發(fā)光特性

陳俊英,董麗芳,李媛媛,肖紅

(河北大學物理科學與技術學院,河北保定 071002)

氣體放電中幾種四邊形斑圖的發(fā)光特性

陳俊英,董麗芳,李媛媛,肖紅

(河北大學物理科學與技術學院,河北保定 071002)

采用雙水電極裝置,在大氣壓下介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中得到了3種不同的四邊形斑圖,為了明析它們的區(qū)別,對其中放電單元的發(fā)光特性進行了研究.結(jié)果表明：隨著電壓的升高,構成斑圖的放電單元面積變大,其光信號經(jīng)歷了每電壓半周期1次到2次再到多次的變化過程.分析表明,壁電荷在其中起到了重要的作用.

介質(zhì)阻擋放電;斑圖;壁電荷;發(fā)光特性

斑圖(patterns)是指在空間或時間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構,是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象.它廣泛存在于自然科學的眾多領域,例如自然界中的動物體表花紋、天空的云街等[1].近年來,人們在流體對流系統(tǒng)、振蕩沙盤系統(tǒng)、非線性光學系統(tǒng)、反應擴散系統(tǒng)以及介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中都獲得了不同類型的斑圖模式[2-6],其中介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)因其斑圖模式最為豐富且具有可視性、形成時間尺度適中(幾分鐘甚至幾秒鐘)等特點而成為一種新興的斑圖動力學系統(tǒng).介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge,簡稱DBD)[7-8],是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電,其運行過程為準連續(xù)的瞬態(tài)過程.DBD裝置主要包括2個平行放置的電極,其放電結(jié)構的主要特點是：其中至少有1個電極的表面覆蓋有電介質(zhì).介質(zhì)阻擋放電的模式依賴于放電條件：當氣壓p與氣隙間距d的乘積即pd值較小時,放電工作在湯森模式,一般表現(xiàn)為均勻的彌散放電;在高p d值時,放電一般為流光模式,此時電子在外加電場作用下從電場中獲取能量,通過與周圍原子分子發(fā)生碰撞使其激發(fā)電離,產(chǎn)生電子雪崩,當電壓超過擊穿閾值時,氣體被擊穿從而造成放電,兩電極之間產(chǎn)生許多明亮的狹窄的微放電通道(又稱放電絲).在合適的條件下,放電絲會通過相互作用,自組織形成穩(wěn)定的發(fā)光斑圖如四邊形、六邊形、螺旋波[6,9]等結(jié)構.

本工作采用雙水電極裝置,在大氣壓下介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中得到了3種不同的四邊形斑圖,分別為小點四邊形斑圖、大點和小點相互嵌套的超四邊形斑圖以及大點四邊形斑圖.照片上所記錄的發(fā)光亮點作為構成斑圖的放電單元.實驗采用可選擇性光學測量方法,對其中放電單元的發(fā)光特性進行了研究.結(jié)果表明：隨著電壓的升高,放電單元面積增大,放電次數(shù)增多,其光信號經(jīng)歷了每電壓半周期1次到2次再到多次的變化過程.分析表明,壁電荷在其中起到了重要的作用.這些結(jié)果對斑圖形成機制及斑圖動力學的研究有一定的參考價值.

1 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖1所示,2個內(nèi)徑為90 mm的柱狀容器內(nèi)充滿水,兩端用厚度為1.5 mm的玻璃密封,構成雙水電極,與高壓交流電源兩極相連的金屬環(huán)浸入水中,這樣水作為液體電極,玻璃作為電介質(zhì).電極兩端接正弦交流高壓電源,電源的電壓在0～10 kV內(nèi)可調(diào),頻率固定在52 kHz,放電氣體為氬氣,氣壓為大氣壓.兩電極間加有一個封閉的1.5 cm×1.5 cm的正方形玻璃邊界,邊界的厚度為1.5 mm.外加電壓后,放電發(fā)生在邊界圍成的氣隙間距內(nèi),并自組織形成發(fā)光斑圖.利用數(shù)碼照相機(Konica M inolta Dimage Z2)拍攝氣體放電形成的發(fā)光斑圖.由于斑圖自身發(fā)光,其光信號可由光電倍增管 PM T(RCA 7265)采集,高壓交流電源的輸出波形以及光信號由數(shù)字示波器(Tektronix TDS 3054,500 M Hz)進行記錄、儲存.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic of experimental setup

2 結(jié)果與討論

隨著電壓的升高,實驗得到了3種四邊形斑圖.電壓較低時(U=3.2 kV)出現(xiàn)小點四邊形斑圖,圖2為小點四邊形斑圖照片及其放電單元的發(fā)光信號.由圖可見,這種四邊形斑圖放電單元直徑較小,約為0.05 cm,在每電壓半周期放電1次,發(fā)生在正弦電壓變化的上升沿,在光信號圖中表現(xiàn)為一個脈沖.仔細觀察發(fā)現(xiàn),放電單元2次相鄰放電時刻的間隔并不相等,呈現(xiàn)出長短交替的現(xiàn)象,即本半周放電靠后,下半周放電靠前.

增大電壓時,在U=4.5kV的時候新的放電單元在原四邊形結(jié)構的中心出現(xiàn),并且新的放電單元和原來的小點有明顯的不同,其直徑較大,約為0.14 cm,并且可明顯看出中心較亮外圍稍暗,稱之為大點.這時形成了由大點和原來的小點嵌套而成的穩(wěn)定的超四邊形斑圖(如圖3 a所示).圖3 b為超四邊大點的發(fā)光信號,由圖可見,大點在每電壓半周期放電2次,第1次發(fā)生在上升沿,第2次發(fā)生在零點附近的下降沿.小點每電壓半周期放電1次,發(fā)生在電壓變化的上升沿(如圖3 c所示).

進一步增大電壓,放電區(qū)域內(nèi)的部分放電絲開始融合,并在U=5.8 kV時最終形成了如圖4 a所示的由亮度均勻的大點構成的大點四邊形斑圖結(jié)構,并且伴有明亮的背景.圖4 b為大點四邊形斑圖放電單元的光信號,在每電壓半周期內(nèi)有多次放電,有的放電發(fā)生在上升沿,也有放電發(fā)生在電壓變化的下降沿.由于背景很亮,筆者采集了大點四邊的背景的光信號如圖4 c所示,也有隨機的多次放電,只不過強度較小.

圖2 小點四邊形斑圖及其放電單元的發(fā)光信號Fig.2 Small spot square pattern and corresponding light signal of one discharge unit

圖3 大點和小點相互嵌套的超四邊形斑圖及其放電單元的發(fā)光信號Fig.3 Square super lattice pattern and corresponding light signal of discharge un it

圖4 大點四邊形斑圖及其放電單元的發(fā)光信號Fig.4 Big spot square pattern and corresponding light signal of discharge un it

綜上,隨著電壓的升高,放電區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了3種不同的四邊形斑圖模式,并且不同斑圖中放電單元的發(fā)光特性也有所不同.電壓較低時,放電單元所占面積較小,每電壓變化半周期發(fā)生1次放電.升高電壓時,放電區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了直徑較大但亮度不均勻的點,大點在每電壓半周期放電2次且1次出現(xiàn)在電壓變化的下降沿,小點仍保持1次放電.繼續(xù)增加電壓,四邊形斑圖的放電單元全部變?yōu)榱炼染鶆颉⒚娣e較大的點,大點四邊中的放電單元在每半周期放電多次且伴有背景的多次放電.

這些結(jié)果表明,隨著電壓的升高,注入到系統(tǒng)中的能量變大,放電間隙內(nèi)的功率不斷增加,這些能量要加以釋放,具體體現(xiàn)在空間上放電面積的變大和時間上放電次數(shù)的增多.觀察各斑圖中放電單元的放電情況,發(fā)現(xiàn)面積較小的放電單元在電壓每半周期都放電1次,而面積較大的放電單元在電壓每半周期發(fā)生2次及2次以上的放電.這說明面積較大的放電單元包含了2次或2次以上的微放電,這些微放電發(fā)生的位置相近,經(jīng)時間積分后形成的圖像表現(xiàn)出來的就是一個大點.其中有些微放電發(fā)生在電壓變化的下降沿,說明壁電荷在里面起到了非常關鍵的作用.

眾所周知,在介質(zhì)阻擋放電中,氣體被擊穿后將產(chǎn)生大量正負電荷,在外加電場的作用下這些電荷分別向兩極輸運,由于電介質(zhì)的存在,這些電荷在介質(zhì)表面積累形成壁電荷,壁電荷將產(chǎn)生一個內(nèi)建電場,方向與外加電場相反,隨著介質(zhì)表面積累電荷的增多,內(nèi)建電場將增強,從而使總電場強度減小使放電熄滅.但當下一個半周期來臨時,上述內(nèi)建電場和外電場同向,使得在外加電壓較小時總電場強度就能達到擊穿閾值,產(chǎn)生放電,從而對放電起促進作用,這就是壁電荷具有的雙重作用,并由此導致壁電荷的記憶效應和放電時間間隔的長短交替現(xiàn)象[9-10].電壓較低時,產(chǎn)生的斑圖由小面積的放電單元構成,其放電特征和上述壁電荷的作用正好相符.隨著電壓的升高,放電區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較大面積的放電單元,此類放電單元每電壓半周期出現(xiàn)2次及2次以上的放電現(xiàn)象.這是因為當上升沿放電對應的電壓越高,本次放電積累的壁電荷就越多,當壁電荷足夠多時,下一次放電可提前到電壓零點附近,更極端的情況是壁電荷形成的內(nèi)建電場足夠大以致可以抵消本半周電壓下降時形成的電場并達到擊穿電壓,導致本半周的壁電荷電場主導放電也就是前面提及的下降沿放電.隨著電壓的繼續(xù)升高,外加電場很強,一次放電熄滅后形成的內(nèi)建電場很快被外加電場抵消并再次達到擊穿閾值,產(chǎn)生本半周期上升沿的再次放電,如前所述,在本半周期又產(chǎn)生下降沿放電,這樣在外加電壓變化的半周期將會產(chǎn)生2次以上的多次放電.

3 結(jié)論

采用雙水電極裝置,在大氣壓下介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中得到了3種不同的四邊形斑圖,并對其中放電單元的發(fā)光特性進行了研究.結(jié)果表明：隨著電壓的升高,構成斑圖的放電單元面積變大,其光信號經(jīng)歷了每電壓半周期1次到2次再到多次的變化過程.分析表明,壁電荷在其中起到了重要的作用.

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Lum inescence Character of Discharge Unit in Square Patterns in Dielectric Barrier Discharge

CHEN Jun-ying,DONGLi-fang,LIYuan-yuan,XIAO Hong(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

Three types of square patterns are obtained w ith changing voltage in dielectric barrier discharge system w ith two w ater electrodes at atmospheric p ressure w ith A rgon.In o rder to know the difference of them,the luminescence character of one discharge unit in patterns is studied.It is found that the area of the discharge unit becomes larger w ith increasing voltage.The light signalof discharge unit experienced once-tw ice-multip le w ithin one voltage half cycle.The result show s that the wall charge has p layed impo rtant ro ll.

dielectric barrier discharge;pattern;wall charge;luminescence character

O 461

A

1000-1565(2011)04-0362-04

2010-02-10

國家自然科學基金資助項目(10775037);河北省自然科學基金資助項目(A 2008000564)

陳俊英(1975-),女,河北成安人,河北大學在讀博士研究生,主要從事等離子體的光學診斷方向研究.

E-mail：chenjunying93@126.com

孟素蘭)