介質阻擋放電中相鄰沿面放電之間的相互影響

張浩，董麗芳，趙龍虎，王謙

(河北大學物理科學與技術學院，河北保定　071002)

介質阻擋放電中相鄰沿面放電之間的相互影響

張浩，董麗芳，趙龍虎，王謙

(河北大學物理科學與技術學院，河北保定071002)

摘要：采用雙水電極介質阻擋放電裝置，觀察了60 kPa氣壓下氬氣的放電情況，并利用Matlab軟件對放電圖像中的電場和電勢分布進行仿真模擬，研究了相鄰兩沿面放電之間的影響.在空氣-氬氣介質阻擋放電中，隨著電壓的升高，放電區(qū)域內放電絲的數量從4個增加到5個，放電絲周圍的沿面放電區(qū)域也發(fā)生了巨大變化.為了對影響沿面放電分布的因素進行更深入地研究，對電流波形圖中放電脈沖進行積分，從而對放電區(qū)域的電勢和電場線進行了模擬.

關鍵詞：介質阻擋放電；體放電；沿面放電

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.02.004

中圖分類號：O539

文獻標志碼：志碼：A

文章編號：編號：1000-1565(2015)02-0127-04

收稿日期:2014-09-11

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11375051)；河北省科技廳重點項目(11967135D)；河北省教育廳重點項目(ZD2010140)

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

Abstract:The mutual influence between the adjacent surface discharges is investigated in a dielectric barrier discharge (DBD) system by using Matlab to simulate the electric field distribution and electric potencial distribution. In air-argon dielectric barrier discharge, the discharge undergoes four filaments-five filaments and the shape of surface discharge also changed with the applied voltage increases . In addition, the electric field distribution and electric potential distribution is established to conduct simulation in the locations of the corresponding filaments.

Mutual influence between the adjacent surface discharges

in a dielectric barrier discharge

ZHANG Hao,DONG Lifang,ZHAO Longhu,WANG Qian

(College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)

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

E-mail: donglf @hbu.edu.cn

Key words: dielectric barrier discharge; volume discharge; surface discharge

介質阻擋放電(dielectric barrier discharge)，又叫無聲放電(silent discharge),是一種非平衡態(tài)的氣體放電.目前，介質阻擋放電已經廣泛應用于臭氧合成、材料表面改性、紫外光源、飛機隱形、材料加工、污染控制和大面積顯示等領域[1-2].根據不同的放電機理和放電形態(tài)，可將放電類型分為體放電和沿面放電.在過去的幾十年里，體放電和沿面放電已經在非線性科學里成為一個熱門課題，人們對此進行了大量實驗研究.Zanin等[3]將一個中間有小孔的絕緣膜插入電極之間的氣體放電單元，并觀察到體放電和沿面放電呈現出一種齒輪的形狀.Xu等[4]主要討論了轉移電荷對介質阻擋放電中體放電、沿面放電和微放電特性的影響.Pietsch等[5]對體放電和完全沿面放電的放電結構和轉移電荷量進行了比較,并對影響臭氧產量和效率的場強分布和能量密度等參量進行了討論.Kogelschatz等[6]收集并整理了各種體放電和沿面放電的放電現象,并通過自組織理論對它們進行了介紹.Brandenburg等運用先進的診斷手段對阻擋放電的演變過程進行研究，并通過快速光學和光譜方法對脈沖驅動的單個放電絲和微放電進行研究.以往的研究已表明，斑圖能夠保持穩(wěn)定，放電絲的位置也幾乎不變是由于介質表面沉積的壁電荷具有記憶效應.相鄰沿面放電對彼此的分布產生影響.然而到目前為止，沿面放電對鄰近沿面放電影響機理的進一步研究還沒有報道.

本工作在介質阻擋放電系統(tǒng)中,觀測了體放電和沿面放電，并研究了沿面放電對相鄰沿面放電的影響.

1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，2個裝滿水并用玻璃片密封的圓柱形容器組成了電極系統(tǒng)，而且2個金屬圓環(huán)分別沉浸在2個圓柱形容器中.金屬圓環(huán)可連接一個正弦交流高壓電源，其中交流高壓電源的電壓和頻率均可調.限制放電區(qū)域被封閉在邊長為10 mm，間隙為3.8 mm內的正方形玻璃框架放置在兩電極之間.整個電極裝置放置在一個密封的氣室內，氣室內可以充入任意比例的氬氣，氣壓也可以進行調節(jié).氣室兩側各有一觀察窗，可用普通數碼相機(Cannon Power Shot G11)進行拍照.高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)可以探測電源電壓并能傳輸到示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz).

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

2結果與討論

2.1　放電區(qū)域內沿面放電形態(tài)的變化

圖2給出了介質阻擋放電斑圖隨外加電壓升高的演化序列和相應的電壓和電流波形圖.實驗參數:正方形放電區(qū)域的長度L=10 mm，放電間隙d=3.8 mm，氣體壓強p=60 kPa，氬氣體積分數φ=99.9%，外加電壓的頻率f=60 kHz.當外加電壓達到氣體擊穿閾值3.16 kV時, 同種亮度且?guī)в醒孛娣烹姷?個放電絲首先出現在正方形區(qū)域的4個角落里，此時的電流波形圖出現1個脈沖.另外還能發(fā)現1個十字形暗線將正方形放電區(qū)域分為了4部分,且每部分都有1個正方形沿面放電使放電區(qū)域的形狀看起來近似正方形(圖2a).沿面放電和體放電的關系是密不可分的.體放電會造成電荷在介質表面沉積，而沉積的電荷又會產生平行于玻璃介質的電場.隨著體放電的進行，當沉積電荷產生的平行于玻璃介質方向的電場超過1個臨界值時，就會產生以體放電為中心，沿著玻璃表面的沿面放電.這種沿面放電產生一種類似在放電絲周圍產生暈的效果，這種放電絲和“暈”分別稱為體放電和沿面放電.當外加電壓增加至3.32 kV時,第5個帶有沿面放電的放電絲出現在放電區(qū)域的中心位置(圖2b)，同時電流波形圖的脈沖變成2個.從圖2b中,可以發(fā)現沿面放電很好地分布在中央放電絲的周圍.與圖2a相比, 圖2b中黑色暗線的形狀已經發(fā)生改變,4個角落里沿面放電的分布已經近似于三角形.隨著外加電壓進一步增加至3.64 kV,中央放電絲和它的沿面放電分布范圍變得比之前更大,而且?guī)缀醭錆M整個放電區(qū)域(圖2c)，同時斑圖的顏色從紫色變化到白色.此外, 角落里放電絲的大小并沒發(fā)生改變,但角落里沿面放電的分布范圍進一步縮小.上述斑圖具有不同形態(tài)的沿面放電，這為下文通過模擬研究沿面放電之間的相互作用提供了非常好的模型.

a-c.對應的分別是外加電壓為3.16 kV，3.32 kV和3.64 kV的放電圖像；d-f.放電圖像對應的電壓和電流的波形.　圖2　斑圖的演化序列和相應的電壓和電流的波形　Fig.2　Bifurcation scenario of the pattern and the corresponding wave forms of the appli

2.2　放電電場和電勢模擬

對放電脈沖的積分得到單個放電絲在介質表面沉積的電荷量，把由體放電造成的電荷在介質表面堆積看成一個小圓盤,同時通過照片測得放電絲之間的真實間距，最后通過Matlab編程模擬了與斑圖放電區(qū)域等大、表面沉積電荷分布全同的電勢和電場分布如圖3，此模擬的原理類似于文獻[7].通過圖3可以了解玻璃介質上沉積電荷產生的橫向電場的方向，等電場的位置和等電勢的位置.如果該沉積電荷產生的橫向電場超過一個臨界值,那么它將產生沿著玻璃表面方向的沿面放電.沿面放電產生的亮度只存在于在橫向電場大于某一固定值的地方.玻璃介質表面的堆積電荷具有相同的電性，則不同堆積電荷產生的沿玻璃表面的分電場會產生相互抵消的作用.2個沉積電量相同的點在中垂線處電場抵消達到最大.4個堆積電荷的情況，由于電場的部分抵消，沿著2條中垂線方向電場為零或者小于沿面放電的閾值，造成此區(qū)域無沿面放電.圖3模擬的十字形弱場強區(qū)域與實驗所得圖2b相符，這也就證明沿面放電不同的亮度分布是沿面放電相互作用而變形造成的.圖2c中4個角落里放電絲周圍的沿面放電由于受到中心放電絲沿面放電的抑制而減少.沿面放電分布受到毗鄰沿面放電的影響，這也與上面的模擬完全符合，進一步證明沿面放電對周圍沿面放電的分布是有抑制作用的.

a,b分別為4個放電絲放電圖像的電場分布和電勢分布模擬;c,d分別為升壓后5個放電絲放電圖像的電場分布和電勢分布模擬.　圖3　相應位置放電絲產生的表面電荷的電勢和電場分布　Fig.3　Electric potential and electric field distribution of deposit charges generated by the corresponding filaments

3結論

實驗研究和理論分析均表明：隨著外加電壓的升高，沿面放電隨著體放電的增強而增強.沿面放電的亮度分布是由橫向電場決定的，且等電場線上沿面放電的亮度相同.同一介質表面上相鄰兩沿面放電之間存在著作用力，此作用力抑制彼此的放電并影響著彼此放電區(qū)域的形狀.

參考文獻:

[1]CONRADS H, SCHMIDT M. Plasma generation and plasma sources [J]. Plasma Sources Sci Technol, 2000, 9(4): 441-454.

[2]KOGELSCHATZ U, ELIASSON B, EGLI W. Dielectric-barrier discharges: principle and applications [J]. J PhysⅣ, 1997, 7(C4): 47-66.

[3]ZANIN A L, LIEHR A W, MOSKALENKO A S, et al, Voronoi diagrams in barrier gas discharge [J]. Appl Phys Lett, 2002,81(18):3338-3340.

[4]XU Xueji. Dielectric barrier discharge-properties and applications [J]. Thin Solid Films, 2001,390:237-242.

[5]PIETSCH G J, GIBALOV V I. Dielectric barrier discharges and ozone synthesis [J]. Pure and Applied Chemistry, 1998,70(6):1169-1174.

[6]KOGELSCHATZ U. Collective phenomena in volume and surface barrier discharge [J]. Journal of Physics:Conference Series, 2010,257(1):012-015.

[7]孔祥鯤，原立格，楊宏偉.基于MATLAB構建點電荷系的電勢與電場強度分布圖 [J].實驗技術與管理，2007,24(10):75-78.

KONG Xiangkun, YUAN Lige,Yang Hongwei. The distribution diagram of electric potential and electric field intensity in dot-charge system based on MATLAB [J]. Experimental Technology and Management, 2007,24(10):75-78.

(責任編輯：孟素蘭)