介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中狹縫邊界內(nèi)放電特性

介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中狹縫邊界內(nèi)放電特性

張浩1，胡軼2，董麗芳1，溫玉3

(1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定071002；2.河北大學(xué) 信息技術(shù)中心，河北 保定071002；

3.河北大學(xué) 國有資產(chǎn)管理處，河北 保定071002)

摘要：利用雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，在空氣和氬氣的混合氣體中，研究了狹縫邊界內(nèi)的放電特性.采用高速錄像機對放電進行10 μs曝光錄像.通過觀察高速錄像機短曝光錄像照片，發(fā)現(xiàn)此放電包含體放電和沿面放電2種放電形式.采用光電倍增管采集光信號發(fā)現(xiàn)，隨著電壓的升高體放電的放電次數(shù)逐漸增加.通過觀察放電照片可知，電壓升高放電絲平均間距也逐漸增大，經(jīng)分析得出體放電位置處壁電荷積累量逐漸增大.

關(guān)鍵詞：體放電；沿面放電；放電次數(shù)；放電絲間距；壁電荷

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.003

中圖分類號：O461.2文獻標志碼：A

收稿日期:2015-06-11

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11175054)；河北省科技廳重點項目(11967135D)；河北省教育廳重點項目(ZD2010140);河北大學(xué)研究生創(chuàng)新資助項目

Discharge character in slit boundary in

dielectric barrier discharge system

ZHANG Hao1, HU Yi2, DONG Lifang1, WEN Yu3

(1.College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China;

2.Center for Information Technology, Hebei University, Baoding 071002, China;

3.State-owned Assets Department, Hebei University, Baoding 071002, China)

Abstract:In air-argon dielectric barrier discharge system, the discharge characteristics in slit boundary are investigated by using the discharge device with two water electrodes. The 10 μs-exposed photograph shows that the discharges consist of VD and SD. Optial signals show that the discharge time of VD increases with the applied voltage increases. By observing the discharge photographs, it is found that the filaments spacing increases. And it indicates that the accumulated wall charges increase with the increase of voltage.

Key words: volume discharge; surface discharge; discharge times; filaments spacing; wall charge

第一作者：張浩(1989-)，男，河北保定人，河北大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事非線性介質(zhì)阻擋放電斑圖動力學(xué)研究.

通信作者：董麗芳(1963-)，女，河北保定人，河北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)診斷與等離子體物理方面的研究.

E-mail:donglf @hbu.edu.cn

介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge)[1-2]是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電.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[3-7]有著廣泛的應(yīng)用前景，從而成為研究熱點，因其能快速產(chǎn)生豐富多樣的斑圖[8-10]進一步引起了人們的關(guān)注.由于壁電荷影響著斑圖的形成，近年來人們對壁電荷做了大量的實驗研究.2006年，董麗芳等[11]報道了一種超四邊形斑圖，并討論了壁電荷分布與斑圖形成關(guān)系.2006年，Stollenwerk等[12]測量了壁電荷量并模擬了放電絲的自組織.2010年，丁偉等[13]研究了壁電荷對介質(zhì)阻擋放電特性的影響.以往對介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中壁電荷的研究都是針對于只存在體放電一種放電形式的情況，對于含有沿面放電的壁電荷積累情況并未報道過.

本文介紹一種同時存在體放電和沿面放電，且每個電壓周期均多次放電的情況，并對壁電荷量的積累做出討論.此次工作對斑圖動力學(xué)研究具有重要意義.

1實驗裝置

實驗裝置是由真空室、水電極、驅(qū)動電源以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示.水電極是兩端被厚度為1.5 mm的石英玻璃封住且內(nèi)部裝滿水的圓柱形容器，并且在一端用金屬環(huán)引出與高壓交流電源兩極相連.驅(qū)動電源為高壓高頻的正弦交流電源，峰值電壓范圍為0~10 kV，頻率為54 kHz.高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)用來測量放電電極兩端電壓.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.整個電極置于一個密封的反應(yīng)室內(nèi)，其內(nèi)部充有氬氣和空氣的混合氣體，氣壓為20 kPa.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(Canon G16)和高速錄像機(HSFC pro)拍照，另一側(cè)放置光電倍增管PMT(RCA 7625)采集放電的光信號，并將光信號輸入到示波器.

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

2結(jié)果與討論

2.1　狹縫內(nèi)放電演化圖像及瞬時放電圖像

圖2a-c為介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中狹縫內(nèi)放電隨電壓升高的演化，其中實驗參數(shù)：氬氣體積分數(shù)φ= 80%，外加電壓的頻率f=54 kHz，氣體壓強p=20 kPa，放電間隙d=4.6 mm，狹縫寬度L= 1 mm.在2.8~6.7 kV的外加電壓下，均等的放電點等間距分布于狹縫之內(nèi).當(dāng)外加電壓為2.8 kV時，均等的放電點均勻且緊密的分布于放電狹縫內(nèi)，同時垂直于狹縫方向上也發(fā)生放電，如圖2a.隨電壓升高至5.1 kV，狹縫內(nèi)的放電點較之前變大且相鄰兩放電點之間間距增大，并且此時垂直于狹縫方向的放電增強，如圖2b.當(dāng)外加電壓進一步增加至6.7 kV時，放電點進一步變大，放電點之間的間距也增大，垂直于狹縫方向的放電進一步增強，如圖2c.圖2b中的照片曝光時間為25 ms，是數(shù)千次放電累積的結(jié)果.為了進一步了解狹縫內(nèi)瞬時放電狀態(tài)，采用高速錄像機對放電進行了10 μs的短曝光錄像，如圖2d所示.通過觀察短曝光照片發(fā)現(xiàn)：狹縫內(nèi)的放電點為體放電，垂直于狹縫方向的放電為沿面放電.綜上可知：隨著外加電壓的升高，體放電逐漸增強且間距增大，沿面放電也逐漸增強且放電延伸方向垂直于狹縫方向.

a-c分別是外加電壓2.8 kV，5.1 kV，6.7 kV時的放電圖像；d為b圖像對應(yīng)的10 μs曝光照片.

2.2　體放電放電次數(shù)隨外加電壓升高的變化

圖3為不同外加電壓條件下，通過光電倍增管獲得的體放電的光信號.實驗發(fā)現(xiàn)隨著電壓的升高，體放電的放電次數(shù)從1次、2次逐步增加至多次.眾所周知，在體放電放電通道中產(chǎn)生的電荷會在介質(zhì)表面積累，形成壁電荷，這些壁電荷會產(chǎn)生與外加電場相反的內(nèi)建電場.在電壓的上升沿，隨著壁電荷的積累，內(nèi)建電場和外加電場的合場強低于體放電的擊穿閾值，體放電熄滅；如果在電壓上升沿積累了足夠多的壁電荷，在電壓的下降沿隨著電壓的降低，內(nèi)建電場與外加電場的合場強可能高于體放電擊穿閾值，而在電壓下降沿發(fā)生1次反向放電，也就是在1個電壓周期內(nèi)，1個位置最多發(fā)生2次放電.本工作中，在高電壓條件下，體放電在1個周期內(nèi)的放電次數(shù)達到5次甚至更多，而這正是由沿面放電的存在造成的.沿面放電會分散上1次體放電在介質(zhì)板沉積的壁電荷，降低內(nèi)建電場的強度.隨著電壓的升高，內(nèi)建電場與外加電場的合場強再次高于體放電的擊穿閾值，體放電再一次在上升沿發(fā)生.體放電發(fā)生后，沉積的壁電荷誘導(dǎo)沿面放電再一次發(fā)生，之后便相同于上一放電過程，體放電再次發(fā)生.總之，沿面放電的存在是體放電多次發(fā)生的重要原因.

2.3　相鄰體放電放電間距變化及壁電荷電荷量分析

由于介質(zhì)板表面積累的壁電荷為同種電荷，壁電荷之間存在排斥力，因此可以通過放電絲的平均間距的大小反映壁電荷電荷量的多少.圖4為放電絲平均間距隨電壓的變化曲線.從圖4中可以看出，隨著電壓的升高，放電絲之間的間距逐漸增加，也就是說體放電位置處壁電荷之間的排斥力逐漸增大，壁電荷電荷量逐漸增多,這對于研究存在沿面放電的大面積介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的壁電荷分布具有重要意義.

圖3　不同驅(qū)動電壓條件下體放電光信號變化 Fig. 3　Optical signals of volume discharge with the increase of the applied voltage

圖4　隨電壓升高相鄰放電絲之間平均間距的變化 Fig. 4　Average spacing between the adjacent filaments with the increase of the applied voltage

3結(jié)論

利用雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，在空氣和氬氣的混合氣體中，研究了狹縫邊界內(nèi)的放電特性.此放電包含體放電和沿面放電2種放電形式.隨電壓升高，體放電和沿面放電放電強度均增強，且體放電的放電次數(shù)增多，放電間距增大.經(jīng)理論分析得出：沿面放電是造成體放電在1個周期內(nèi)多次放電的原因；隨電壓升高，體放電位置處壁電荷的電荷量逐漸增加.

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)