介質阻擋放電中的八邊形結構

趙龍虎，董麗芳，狄聰，張新普，張超

（河北大學 物理科學與技術學院 ，河北 保定 071002）

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge）［1－2］又稱無聲放電，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.近年來，大氣壓介質阻擋放電以其成本低、裝置簡單、應用領域廣泛等特點，引起了學者們的研究熱潮，并在臭氧的合成、等離子體化學氣相沉積、等離子體顯示器、環(huán)境污染處理、局部材料生長等工業(yè)領域得到了廣泛的應用［3－9］.介質阻擋放電通常由大量微放電通道組成［10］，在一定的條件下，這些微放電通道可形成穩(wěn)定的空間分布即斑圖.

斑圖（pattern）［11］是指在時間或空間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結構，是由系統(tǒng)中的微觀參量之間的相互作用而導致的宏觀量有序分布的狀態(tài)，是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象［12］.近年來，在介質阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了種類多樣的斑圖，如：四邊形斑圖、六邊形斑圖、螺旋波斑圖、條紋斑圖以及多種超點陣斑圖等等.以上這些斑圖都是在放電間隙d值較小的實驗條件下得到的，對在d值較大的實驗條件下的斑圖研究甚少.

本實驗是在d值較大的實驗條件下進行的，首次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的八邊形結構：在一定的放電區(qū)域內，其放電絲密度小、半徑大、排列規(guī)則，并有且僅有1個單元的八邊形結構，是以往斑圖研究中未曾報道過的.該結構不僅豐富了介質阻擋放電系統(tǒng)中的斑圖種類，還進一步拓展了在d值較大的實驗條件下的斑圖研究，并對今后在d值較大的實驗條件下的斑圖研究有一定的推動作用.

1 實驗裝置

該實驗使用雙水電極實驗裝置［13］，如圖1所示.水電極是由2個裝滿水的內徑為70mm的圓柱形容器組成，其兩端與高壓交流電源連接的金屬環(huán)浸在水中.容器兩端分別用厚度為1.5mm的干板和2.0mm的普通玻璃封住，作為介質層.2個水電極之間的放電間隙是可調的，但該實驗采用的是放電間隙d＝3.8mm、邊長L＝12mm的八邊形框架.整個放電裝置處于真空室內，放電氣體是純氬氣，氣壓控制在60kPa.交流電源的可調范圍是0～10kV，高壓探頭（Tektronix P6015A1000X）用于測量電壓幅值，驅動電源頻率一般在55～60kHz，其數(shù)值可以通過示波器（Tektronix TDS3054B）讀出，用數(shù)碼相機（Canon Powershot G1）拍攝斑圖的演化過程.通過透鏡系統(tǒng)可以測量1個或多個放電絲的光信號，并由光電倍增管PMT（RCA 7625）采集和示波器記錄.

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 實驗結果與討論

實驗使用了放電間隙d＝3.8mm的八邊形框架，因為d值較大，所以實驗首先需要在高壓下演化一小段時間，看到大半徑放電絲出現(xiàn)即可.圖2是隨電壓升高過程中八邊形結構的演化序列，依次為：隨機分布放電絲－大半徑放電絲－八邊形結構－失穩(wěn)的八邊形結構.當氣體擊穿后，首先出現(xiàn)的是若干隨機分布放電絲，如圖2a所示.隨著電壓的升高，隨機放電絲的半徑和亮度都會有所增加，進而形成大半徑放電絲，如圖2b所示.隨著電壓的繼續(xù)升高，大半徑放電絲開始自組織排列并占滿整個放電區(qū)域，形成如圖2c所示的八邊形結構.在此基礎上電壓進一步升高，八邊形結構失穩(wěn)，如圖2d所示.實驗將八邊形結構分成了2部分：一部分是圖2c中的線八邊形；另一部分是圖2c中的9個大半徑放電絲.

在d值較大的實驗條件下，隨著電壓的增加，八邊形結構的單元數(shù)量是不會增加的，有且僅有1個單元的八邊形結構；放電絲的半徑、亮度及放電絲與放電絲之間的距離都比以往斑圖中的放電絲要大；大半徑放電絲不僅比其他斑圖中的放電絲半徑要大，而且還有一定的勢力范圍.如圖2c所示，中間的大半徑放電絲的勢力范圍最大，正是由于這種特性，使9個大半徑放電絲規(guī)則的占滿整個放電區(qū)域，形成有且僅有1個單元的八邊形結構.

通過對八邊形結構進行時空相關性測量，筆者研究了八邊形結構的時空動力學.首先對圖2c中的線八邊形的不同位置進行了光信號測量，測量發(fā)現(xiàn)線八邊形的不同位置是同時放電的，如圖3c所示.然后，對9個大半徑放電絲進行了光信號測量，測量發(fā)現(xiàn)9個大半徑放電絲也是同時放電的，如圖3d所示.通過對圖3的光信號分析，結果得出在每半個電壓周期內有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個大半徑放電絲同時放電.

圖2 隨著電壓的升高，介質阻擋放電系統(tǒng)中八邊形結構的演化序列Fig.2 Octagon structure scenario with the applied voltage increasing

圖3 通過介質阻擋放電裝置，對八邊形結構進行時空相關性測量Fig.3 Correlation measurements of the octagon structure in dielectric barrier discharge

實驗測量了八邊形結構隨空氣體積分數(shù)（0≤χ≤2%）和外加電壓變化的相圖，圖4所示.由圖顯見，隨空氣體積分數(shù)的增加，產生八邊形結構的外加電壓也相應增加.當空氣體積分數(shù)不在這個范圍時，就很難得到八邊形結構了.實驗還測量了八邊形結構隨氣體壓強和外加電壓變化的相圖，如圖5所示.由圖顯見，隨著氣體壓強的增加，產生八邊形結構的外加電壓也相應的增加.當氣體壓強在40kPa≤p≤60kPa范圍時，八邊形結構容易獲得，當氣體壓強不在這個范圍時，就很難得到八邊形結構了.

圖4 隨外加電壓和空氣體積分數(shù)變化斑圖出現(xiàn)的相圖Fig.4 Phase diagram of the pattern types as a function of the applied voltage and air concentration

圖5 隨外加電壓和氣體壓強變化八邊形結構出現(xiàn)的相圖Fig.5 Phase diagram of the octagon structure as a function of the applied voltage and gas pressure

3 結論

實驗采用雙水電極介質阻擋放電裝置，在放電間隙d值較大的實驗條件下首次得到了穩(wěn)定的八邊形結構，并對其演化序列和時空動力學進行了研究.實驗在演化過程中得到了大半徑放電絲，大半徑放電絲有一定的勢力范圍，由于中間的大半徑放電絲的勢力范圍最大，使9個大半徑放電絲規(guī)則的占滿整個放電區(qū)域，形成了有且僅有1個單元的八邊形結構.八邊形結構在每半個電壓周期內有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個大半徑放電絲同時放電.空氣體積分數(shù)和氣體壓強的變化分別對八邊形結構的存在有一定的依賴，隨著空氣體積分數(shù)（0≤χ≤2%）的增加，外加電壓也相應的增加；隨著氣體壓強（40kPa≤p≤60kPa）的增加，外加電壓也相應的增加.實驗結果對在d值較大實驗條件下的斑圖研究有了進一步的拓展，并對今后在該領域的理論和應用有著重要的參考價值.

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