介質(zhì)阻擋放電中柵欄發(fā)光斑圖等離子體參量研究

張 浩,董麗芳,高 星,王 浩

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北保定 071002)

介質(zhì)阻擋放電中柵欄發(fā)光斑圖等離子體參量研究

張 浩,董麗芳*,高 星,王 浩

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北保定 071002)

采用高速錄像機(jī)和光譜儀,研究了在雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置中首次得到的由長短交替的棒狀放電結(jié)構(gòu)組成的柵欄斑圖。通過觀察20μs曝光錄像照片發(fā)現(xiàn)柵欄斑圖由體放電和沿面放電組成。采用發(fā)射光譜法,利用N2第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的發(fā)射譜線和ArⅠ(2P2→1S5)譜線的展寬,分別測量和比較了不同體放電和沿面放電不同位置處的分子振動(dòng)溫度和電子密度。結(jié)果發(fā)現(xiàn):斑圖中具有較強(qiáng)沿面放電的體放電比具有較弱沿面放電的體放電擁有較高的分子振動(dòng)溫度和電子密度;在沿面放電的方向上,沿面放電的分子振動(dòng)溫度和電子密度均逐漸降低。理論分析證明,壁電荷在狹縫內(nèi)的非等量分布是影響柵欄斑圖形成的主要因素。

介質(zhì)阻擋放電;柵欄發(fā)光斑圖;分子振動(dòng)溫度;電子密度

1 引 言

介質(zhì)阻擋放電是一種交流電壓驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)氣體放電[1-2]。在過去幾十年,介質(zhì)阻擋放電因其在聚合物表面改性、材料表面處理、臭氧合成、等離子體化學(xué)氣相沉積等工業(yè)領(lǐng)域[3-8]有著廣泛的應(yīng)用而成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

近年來,介質(zhì)阻擋放電因其能快速產(chǎn)生豐富多樣的斑圖[9-10]而再一次引起了人們的關(guān)注。2000年,Walhout小組報(bào)道了一種靜態(tài)的一維放電斑圖并對(duì)其時(shí)空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。2004年, Purwins報(bào)道了一種動(dòng)態(tài)斑圖,該斑圖中放電絲按六邊形排列并且發(fā)生旋轉(zhuǎn)。近十幾年,本小組報(bào)道了超點(diǎn)陣、格子態(tài)、螺旋波、條紋斑圖等種類繁多的斑圖,引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。

在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中,當(dāng)電極間電壓達(dá)到氣體放電的擊穿閾值時(shí),放電氣隙內(nèi)氣體會(huì)被擊穿而形成垂直于介質(zhì)板方向的圓柱形體放電。這些體放電通道之間存在庫侖力和洛倫茲力,在二力的共同作用下放電絲會(huì)自組織成在時(shí)間或空間規(guī)律分布的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。隨著體放電的進(jìn)行,體放電通道中傳輸?shù)碾姾蓵?huì)在介質(zhì)表面沉積形成壁電荷,并且壁電荷對(duì)之后體放電的產(chǎn)生具有重要影響[11]。近年研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)壁電荷達(dá)到一定量后會(huì)產(chǎn)生一種平行于介質(zhì)面方向的沿面放電。隨著沿面放電的進(jìn)行,體放電位置處沉積的壁電荷會(huì)被逐漸分散,造成介質(zhì)表面的壁電荷分布發(fā)生變化,進(jìn)而影響斑圖的形成。因此為了更進(jìn)一步研究斑圖形成,對(duì)于沿面放電的研究就顯得尤為重要。

以往的研究已證實(shí),沿面放電之間具有相互抑制的作用[12]。為了更大限度地得到沿面放電,對(duì)沿面放電進(jìn)行更深入研究。本文選用一維狹縫作為放電邊界,減少沿面放電受抑制的維度,從而得到柵欄斑圖。在柵欄斑圖中,體放電等間距分布在狹縫之間,沿面放電的放電方向與狹縫方向相垂直,并且其放電強(qiáng)度存在強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象。

采用高速錄像機(jī)獲得了柵欄斑圖的短曝光照片,利用發(fā)射光譜法研究了斑圖中體放電和沿面放電的分子振動(dòng)溫度與電子密度,并對(duì)柵欄斑圖的形成機(jī)理做出了解釋。

2 實(shí) 驗(yàn)

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置是由放電室、水電極、高壓驅(qū)動(dòng)電源以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成。放電室設(shè)有入氣口和出氣口,并連接氣壓壓力計(jì)來檢測其內(nèi)部氣壓值。圓柱形容器兩端被厚度為1.8 mm的石英玻璃封住,并在其內(nèi)部充滿水,即為本實(shí)驗(yàn)所用水電極。兩個(gè)水電極分別用金屬環(huán)引出與高壓交流電源兩極相連,本實(shí)驗(yàn)將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)定為54 kHz,電壓在0～12 kV范圍內(nèi)可調(diào)。高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)連接水電極的兩端,其信號(hào)被輸入示波器以用來監(jiān)測和記錄放電電極兩端電壓。兩電極平行放置,中間夾有厚度為4.6 mm、間隙為1 mm的“一”字形狹縫的玻璃框架。整個(gè)電極置于上述放電室內(nèi),放電室內(nèi)部充滿氬氣和空氣的混合氣體且氣壓維持在20 kPa,其中氬氣所占體積分?jǐn)?shù)為96%。反應(yīng)室兩側(cè)設(shè)有透明觀察窗,一側(cè)放有數(shù)碼相機(jī)(Canon G16)和高速錄像機(jī)(HSFC pro)對(duì)發(fā)光斑圖進(jìn)行拍照和短曝光錄像,另一側(cè)放置透鏡和光譜儀(ACTON SP-2758,CCD:1 340×400 pixels,光柵: 300,1 800,2 400 lp/mm)對(duì)發(fā)光斑圖進(jìn)行光譜診斷。氣體放電發(fā)出的光經(jīng)透鏡會(huì)聚后,由光纖導(dǎo)入光譜儀并由計(jì)算機(jī)采集和存儲(chǔ),可以通過移動(dòng)光纖探頭采集不同位置發(fā)射的光。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

3 結(jié)果與討論

3.1 放電斑圖演化序列

圖2展示的是隨外加電壓升高,狹縫邊界內(nèi)放電結(jié)構(gòu)的演化序列。當(dāng)外加電壓達(dá)到1.36 kV時(shí),狹縫放電區(qū)域內(nèi)首先出現(xiàn)等間距的放電點(diǎn);當(dāng)外加電壓達(dá)到2.86 kV時(shí),開始產(chǎn)生垂直于狹縫方向的等長度棒狀放電,此時(shí)放電點(diǎn)變大且間距增大;隨著外加電壓增加至4.52 kV,等長度棒狀放電開始分化為長短交替的棒狀放電;當(dāng)外加電壓進(jìn)一步增加至5.6 kV時(shí),長短交替的棒狀放電達(dá)到穩(wěn)定,同時(shí)放電點(diǎn)也是大小交替存在,由于其形狀類似柵欄,因此稱之為柵欄斑圖。

圖2 柵欄發(fā)光斑圖隨電壓升高的演化序列。實(shí)驗(yàn)參數(shù):氬氣體積分?jǐn)?shù)96%,外加電壓驅(qū)動(dòng)頻率f=54 kHz,氣壓P=20 kPa,氣隙厚度d=4.6 mm,狹縫寬度L=1 mm,照片曝光時(shí)間t=25 ms.Fig.2 Evolution of fence pattern in air-argon dielectric barrier discharge with the increase of applied voltage. Experimental parameters:the argon volume fraction φ=96%,driving frequency f=54 kHz,gas pressure P=20 kPa,gas gap d=4.6 mm,width of slit L=1 mm,exposure time of photographs t=25 ms.

3.2 斑圖短曝光錄像

圖2中相機(jī)曝光時(shí)間為25 ms,照片是數(shù)千次放電累積的結(jié)果。為了更好地了解柵欄斑圖的放電過程,需要對(duì)放電進(jìn)行短曝光拍攝。將高速錄像機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為20μs對(duì)圖2(d)中柵欄斑圖進(jìn)行錄像。通過觀察錄像照片,我們發(fā)現(xiàn)柵欄斑圖中亮點(diǎn)和棒狀放電結(jié)構(gòu)分別為體放電和沿面放電。A和B兩種體放電大小不等且伴隨的沿面放電也強(qiáng)弱不同。沿面放電的放電強(qiáng)度從中心到邊緣逐漸降低,如圖3所示。

圖3 曝光時(shí)間為20μs的照片F(xiàn)ig.3 Picture taken by a high speed video camera,and the exposure time of photograph t=20μs.

3.3 等離子體參數(shù)研究

在圖3中可以明顯觀察到A、B兩點(diǎn)大小不同且亮度存在差異,以上差異表明A、B兩點(diǎn)所處的等離子體狀態(tài)可能不同。因此我們采用發(fā)射光譜法,研究了A和B兩位置處體放電分子振動(dòng)溫度和電子密度的大小。選擇光譜儀的300 G/mm光柵采集氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)譜線,并利用氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)譜線中的370.9,375.4,380.4,394.2,399.7,405.8 nm位置處的6條譜線計(jì)算分子振動(dòng)溫度的大小。選擇光譜儀的2 400 lp/mm光柵采集氬原子696.57 nm(2P2→1S5)譜線,并通過譜線的展寬比較電子密度的大小。

圖4為A和B兩體放電位置處波長在360～420 nm內(nèi)的光譜譜線。從圖中光譜譜線可看出, A點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度大約為B點(diǎn)的2倍。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn),A點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度約為3 040 K,要比B點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度2 570 K高近500 K。

圖4 柵欄發(fā)光斑圖中A和B在360～420 nm處的發(fā)射譜線Fig.4 Molecular vibrational temperature corresponding to A and B in fence pattern

圖5為歸一化后的A、B兩體放電位置處的ArⅠ696.5 nm譜線,其中右上角為譜線右支方框區(qū)域的放大圖。在放電等離子體中,由于Stark效應(yīng),非氫原子ArⅠ(2P2→1S5)發(fā)射譜線的展寬與體放電通道內(nèi)的電子密度近似成正比。所以,可通過原子發(fā)射譜線696.5 nm處展寬的大小來反映電子密度的大小。從圖中可以看出,A點(diǎn)的譜線展寬大于B點(diǎn)的譜線展寬,這反映出A點(diǎn)位置處體放電通道中的電子密度要比B點(diǎn)大。壁電荷是放電通道中電荷在介質(zhì)表面沉積造成的,則可根據(jù)A放電通道電子密度比B大得出在A點(diǎn)沉積的壁電荷要比B點(diǎn)多。

圖5 柵欄發(fā)光斑圖中A和B在氬原子696.5 nm處的譜線Fig.5 Profiles of the spectral line 696.5 nm of A and B in fence pattern

眾所周知,沿面放電是由沉積在介質(zhì)板表面的壁電荷誘導(dǎo)產(chǎn)生的。當(dāng)沉積在介質(zhì)板表面的壁電荷產(chǎn)生的平行于玻璃介質(zhì)表面方向的電場超過一個(gè)臨界值時(shí),就會(huì)產(chǎn)生沿著玻璃表面的沿面放電,并且壁電荷越多,沿面放電越強(qiáng)。同時(shí)沿面放電之間存在相互抑制作用,則沿面放電會(huì)朝著受抑制弱的方向(即垂直狹縫的方向)放電,形成肉眼所看到的棒狀放電結(jié)構(gòu)。經(jīng)過以上分析發(fā)現(xiàn),正是介質(zhì)表面上壁電荷在狹縫內(nèi)的非等量分布造成了沿面放電強(qiáng)度強(qiáng)弱交替的出現(xiàn),影響了柵欄斑圖的形成。

壁電荷影響著沿面放電,同時(shí)沿面放電對(duì)壁電荷分布和斑圖的形成也具有重大影響,因此對(duì)沿面放電的研究也十分重要。在柵欄斑圖中,沿面放電被近似地限制在一維方向上,這為測量沿面放電方向上沿面放電等離子體參量變化提供了方便。分別對(duì)圖3中標(biāo)識(shí)的1,2,3,4,5這5個(gè)位置處等離子體的分子振動(dòng)溫度和電子密度進(jìn)行了測量和比較,其中1,2,3,4,5代表的實(shí)際位置分別為距離體放電0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 cm。對(duì)于實(shí)際距離的測量是通過斑圖通過透鏡成像于坐標(biāo)紙上,再根據(jù)光譜采集點(diǎn)的坐標(biāo)與實(shí)際裝置的比例得到的。

圖6給出了上述5個(gè)位置處沿面放電的分子振動(dòng)溫度。由圖可見,沿面放電的分子振動(dòng)溫度從3 600 K逐漸降低至2 800 K,也就是說在沿面放電的方向上,分子振動(dòng)溫度逐漸降低。

圖6 不同位置處沿面放電分子振動(dòng)溫度的變化Fig.6 Molecular vibrational temperature corresponding to different position of surface discharge

圖7給出了上述5個(gè)位置處沿面放電696.5 nm處發(fā)射譜線展寬的變化。由圖可見,在沿面放電的方向上,譜線的展寬逐漸減小,反映出電子密度逐漸降低。這為以后對(duì)沿面放電不同位置處等離子參量的研究提供了重要的參考依據(jù)。

圖7 不同位置處沿面放電696.5 nm處譜線展寬的變化Fig.7 Broadenings of spectral line 696.5 nm corresponding to different position of surface discharge

4 結(jié) 論

采用高速錄像機(jī)和光譜儀,研究了在雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置中首次得到的由長短交替的棒狀放電結(jié)構(gòu)組成的柵欄斑圖。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),柵欄斑圖包含體放電和沿面放電兩種放電形式,且棒狀結(jié)構(gòu)是由沿面放電受到抑制作用后形成的。利用發(fā)射光譜法對(duì)其等離子體參數(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):斑圖中具有較強(qiáng)沿面放電的體放電比具有較弱沿面放電的體放電擁有較高的分子振動(dòng)溫度和電子密度;在沿面放電的方向上,沿面放電的分子振動(dòng)溫度和電子密度均逐漸降低。理論分析證明,壁電荷在狹縫內(nèi)的非等量分布是影響柵欄斑圖形成的主要因素。

參 考 文 獻(xiàn):

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Investigation on The Plasma Parameters of The Fence Pattern in Dielectric Barrier Discharge

ZHANG Hao,DONG Li-fang*,GAO Xing,WANG Hao

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)
*Corresponding Author,E-mail:donglf@hbu.edu.cn

The fence pattern that consists of volume discharges(VDs)and surface discharges (SDs)is observed by using the dielectric barrier discharge device with two water electrodes.The VDs uniformly distribute along the slit,and SDs are perpendicular to the slit and own two kinds of intensity.The short-exposed photograph is obtained by a high speed video camera.The plasma parameters of fence pattern are investigated by spectrograph.The emission spectra of the N2second positive band(C3Πu→B3Πg)is collected,and themolecule vibrational temperature is calculated by the emission intensities.Furthermore,the width of ArⅠ696.5 nm is used to estimate the electron density.The results show that the volume dischargeswith strong surface discharges have highermolecule vibrational temperature and higher electron density than those with less surface discharge.Besides,along the surface discharge direction,surface discharge's molecule vibrational temperature and the electron density gradually decrease.The unequivalent distribution of the wall charges contributes to the formation of fence pattern.

dielectric barrier discharge;fence pattern;molecular vibrational temperature;electron density

張浩(1989-),男,河北保定人,碩士研究生,2013年于河北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事非線性介質(zhì)阻擋放電斑圖動(dòng)力學(xué)的研究。E-mail:m15130248376@163.com

董麗芳(1963-),女,河北保定人,教授,博士生導(dǎo)師,1994年于中科院物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事光學(xué)、等離子體等方面的研究。E-mail:donglf@hbu.edu.cn

O461

A

10.3788/fgxb20153612.1440

1000-7032(2015)12-1440-05

2015-08-28;

2015-09-24

國家自然科學(xué)基金(11375051);河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2010140)資助