氣隙間距對(duì)納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電的影響

齊海成，張每英

(1. 鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 鞍山 114005； 2. 鞍山市廣播電視學(xué)校 物理組, 遼寧 海城 114200)

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氣隙間距對(duì)納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電的影響

齊海成*，1，張每英2

(1. 鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 鞍山 114005； 2. 鞍山市廣播電視學(xué)校 物理組, 遼寧 海城 114200)

采用平行板電極結(jié)構(gòu)，在靜態(tài)空氣中獲得了穩(wěn)定的大氣壓納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電，研究了氣隙間距對(duì)放電的電特性和放電形態(tài)的影響.研究結(jié)果表明，隨著氣隙間距的增大，放電的擊穿電壓增大，放電的強(qiáng)度減弱，原因是氣隙間距的增大減弱了放電空間的電場(chǎng)；同時(shí)放電形態(tài)由均勻放電逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀放電，這決定于電子雪崩的發(fā)展過(guò)程.

納秒脈沖；氣隙間距；介質(zhì)阻擋放電

0 引言

作為大氣壓下產(chǎn)生非平衡等離子體的主要方式，介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge,DBD)已經(jīng)受到廣泛研究〔1〕，研究表明，當(dāng)激勵(lì)電壓加在兩電極之間時(shí)，在放電空間形成外加電場(chǎng)，氣隙中電子加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電離中性粒子，產(chǎn)生電子雪崩，氣體被擊穿，放電過(guò)程中，陽(yáng)極附近的介質(zhì)表面積累電子，陰極附近的介質(zhì)表面積累正離子，形成的內(nèi)建電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，當(dāng)總電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)低于某一閾值時(shí)，放電熄滅；介質(zhì)板上的電荷將存活很長(zhǎng)時(shí)間，到下半周期，外加電場(chǎng)方向改變，此時(shí)介質(zhì)表面電荷形成的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)同向，總電場(chǎng)被加強(qiáng)，氣隙被擊穿，一段時(shí)間后由于表面電荷的積累，放電又熄滅，如此重復(fù). DBD已被應(yīng)用在許多的工業(yè)領(lǐng)域，如材料表面改性〔2〕、臭氧合成〔3〕、氣體流動(dòng)控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和助燃等等.傳統(tǒng)的DBD主要采用交流電源激勵(lì)，但是近些年來(lái)，用脈沖電源尤其是納秒脈沖等短脈沖電源激勵(lì)的DBD得到越來(lái)越多的關(guān)注〔4〕.納秒高壓脈沖的特點(diǎn)是上升沿陡峭、脈寬小，放電時(shí)在氣隙中形成較大的折合電場(chǎng)(E/n，其中E為空間電場(chǎng)，n為空間的粒子數(shù)密度)，瞬時(shí)產(chǎn)生大量的電子雪崩，所以易于產(chǎn)生均勻的放電〔5〕；而且由于納秒脈沖脈寬窄，電場(chǎng)對(duì)氣隙中帶電粒子的作用時(shí)間較短，同時(shí)又由于放電所產(chǎn)生的離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，放電過(guò)程中離子來(lái)不及響應(yīng)外電場(chǎng)，導(dǎo)致離子基本不動(dòng)，只有電子受到電場(chǎng)的加速〔6〕，所以納秒脈沖放電的能量利用率高〔7〕；納秒脈沖放電的擊穿過(guò)程屬于過(guò)電壓擊穿，將產(chǎn)生大量的高能電子，進(jìn)一步增加活性粒子的產(chǎn)生效率.因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的交流DBD納秒來(lái)說(shuō)，大氣壓納秒脈沖DBD具有放電更加均勻、能量利用效率更高、電子密度更高以及產(chǎn)生的等離子體具有更高的化學(xué)活性等諸多優(yōu)勢(shì).

雖然大氣壓納秒脈沖放電已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究，但是由于納秒脈沖放電本身十分復(fù)雜，放電參數(shù)(如脈沖上升沿、脈沖寬度、脈沖頻率、工作氣體種類(lèi)和氣隙間距等)對(duì)放電特性影響較大，所以納秒脈沖放電的物理機(jī)制仍在討論之中，本文在靜止的空氣中研究了氣隙間距對(duì)納秒脈沖放電的電特性和放電形態(tài)的影響，并進(jìn)一步討論納秒脈沖的放電機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及診斷方法

本實(shí)驗(yàn)的放電原理圖如圖1所示，主要由DBD反應(yīng)器、納秒脈沖電源和診斷系統(tǒng)構(gòu)成.電極為平行板結(jié)構(gòu)，由不銹鋼材料制成，電極的尺寸為100 mm×40 mm×5 mm，厚度為1 mm的云母片作為介質(zhì)板，氣隙間距可以在1 mm～10 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié).三級(jí)磁壓縮納秒脈沖電源(ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ500Вт)是俄羅斯托木斯克理工大學(xué)高壓所制造的，由低壓脈沖發(fā)生器和變壓器組成，電源的平均功率約為500 W，能夠產(chǎn)生半高寬為200 ns、上升沿為約40 ns、峰值電流約為35 kV的納秒高壓脈沖.脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency, PRF)可以調(diào)節(jié)為100、300、600、1000和1200 Hz.

實(shí)驗(yàn)中采用高壓探頭Tektronix P6015A(1000× 100 MΩ)探測(cè)電壓信號(hào)，用電流探頭Tektronix TCP0150(150 A 20 MHz)探測(cè)電流信號(hào)，同時(shí)采用P30A-05型光電倍增管(photomultiplier，PMT)測(cè)量放電的光輻射信號(hào)，對(duì)比電壓、電流和光電流波形來(lái)判斷二次和三次放電的發(fā)生.采用Tektronix DPO4104(帶寬1.0 GHz，采樣率 5 GS/s)數(shù)字示波器記錄并存儲(chǔ)放電的電壓、電流和光電流信號(hào).采用數(shù)碼照相機(jī)(尼康D3200)記錄放電圖像，用以觀察和分析放電形態(tài)隨氣隙間距的變化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

當(dāng)氣隙間距為2 mm，PRF為1200 Hz時(shí)，放電的電壓、電流和光電流波形如圖2所示，通過(guò)對(duì)比電流和光電流信號(hào)判斷二次以及三次放電的產(chǎn)生.從圖中可知，一個(gè)電壓脈沖過(guò)程中共發(fā)生三次放電：主放電，二次放電和三次放電.主放電發(fā)生在電壓脈沖的上升沿；二次放電發(fā)生在大約300 ns處，對(duì)應(yīng)電壓脈沖的下降沿；三次放電發(fā)生在大約500 ns處，對(duì)應(yīng)電壓脈沖振蕩后的下降沿.主放電電流脈沖的峰值大約為75 A,

圖2 納秒脈沖DBD的電壓、電流和光電流波形 圖3 氣隙間距對(duì)擊穿電壓的影響

寬度大約為60 ns.主放電發(fā)生后，隨著放電的進(jìn)行，在介質(zhì)表面會(huì)積累越來(lái)越多的表面電荷，其在放電空間形成自建電場(chǎng)，自建電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，當(dāng)放電空間總電場(chǎng)被削弱到某一臨界值時(shí)，主放電停止.而二次放電和三次放電與主放電極性相反，是在主放電產(chǎn)生的空間電荷和表面電荷的基礎(chǔ)上加之電壓的反沖的共同作用下被激勵(lì)的.

主放電的擊穿電壓如圖2所示，即電壓在上升沿有一個(gè)突然的減小〔8〕.放電的擊穿電壓隨氣隙間距的變化規(guī)律如圖3所示.由圖可知，在放電氣隙間距為2 mm，PRF為1200 Hz時(shí)，擊穿電壓約為19 kV；而PRF為100 Hz時(shí)，擊穿電壓約為21 kV.隨著氣隙間距的增大，擊穿電壓基本上呈現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì).當(dāng)氣隙間距為7 mm，PRF為1200 Hz時(shí)，擊穿電壓增加到約26 kV，而PRF為100 Hz時(shí)，擊穿電壓約為33 kV.這個(gè)規(guī)律符合氣體放電的帕邢定律，pd值增大(p為放電空間的氣壓，d為氣隙間距)，擊穿電壓增大.擊穿電壓的增大主要是因?yàn)樵诜烹姎庀吨须娮友┍赖陌l(fā)展受折合電場(chǎng)的影響，當(dāng)d增大時(shí)，外加電壓需要相應(yīng)的增大使折合電場(chǎng)達(dá)到一定值，電子雪崩才能得到發(fā)展并形成流注，導(dǎo)致氣隙擊穿.

在PRF分別為1200 Hz和100 Hz時(shí)，放電氣隙間距對(duì)主放電峰值電流強(qiáng)度的影響如圖4所示，隨著氣隙間距從2 mm逐漸增大到7 mm，峰值電流從約75 A逐漸下降到了約45 A，這說(shuō)明了隨著放電間隙的增大，放電強(qiáng)度明顯減弱.主要是因?yàn)闅庀堕g距增大導(dǎo)致了放電空間電場(chǎng)減弱，削弱了電子的電漂移運(yùn)動(dòng)，降低了電離效率，從而使放電強(qiáng)度減弱.

圖4 氣隙間距對(duì)放電強(qiáng)度的影響 圖 5 不同氣隙間距下納秒脈沖DBD的放電圖像

PRF為1200 Hz時(shí)，不同氣隙間距下的單周期放電圖像如圖5所示.可知，當(dāng)氣隙間距較小時(shí)，放電十分均勻，幾乎沒(méi)有明顯的絲放電通道產(chǎn)生，放電處于類(lèi)輝光模式.當(dāng)氣隙間距為5 mm時(shí)，可以明顯觀察到在放電空間中存在很多的微放電通道，但同時(shí)也存在著彌散放電的背景.當(dāng)氣隙間距繼續(xù)增大時(shí)，彌散放電的成分逐漸減少，放電逐漸過(guò)渡到了絲狀放電模式.產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要與納秒脈沖的放電機(jī)制有關(guān).小間距下，放電空間同時(shí)產(chǎn)生大量電子雪崩，雪崩之間產(chǎn)生交疊，所以放電比較均勻.由于脈沖電源輸出的電壓脈沖幅值不變，大間距時(shí)，電場(chǎng)較小，瞬間產(chǎn)生的電子雪崩較少，雪崩之間的距離較大，擊穿過(guò)程中電子雪崩已經(jīng)不存在交疊.另外，從電子雪崩的發(fā)展過(guò)程來(lái)分析，大間距下，隨著電子雪崩的發(fā)展，發(fā)生電離碰撞的次數(shù)大幅度增加，導(dǎo)致電子雪崩頭部半徑的不斷增大，放電通道中電子密度也隨之增大，單個(gè)的放電通道的放電強(qiáng)度增大，所以隨著放電間距的增大，放電通道的亮度明顯增強(qiáng)了.

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在靜止空氣中獲得了穩(wěn)定的大氣壓納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電，研究了放電的氣隙間距對(duì)放電的電特性和放電形態(tài)的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氣隙間距的增大，主放電的擊穿電壓呈線性增大，主放電的峰值電流減弱，同時(shí)放電形態(tài)由小間距下的均勻放電逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇箝g距下的絲狀放電.分析認(rèn)為，氣隙間距增大時(shí)，氣隙中的電場(chǎng)減弱，導(dǎo)致?lián)舸╇妷荷吆头烹姀?qiáng)度的降低；放電轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀放電時(shí)由于大氣隙時(shí)放電空間同時(shí)產(chǎn)生的電子雪崩較少，相互間不存在交疊，另外，大間距時(shí)，隨著電子雪崩的發(fā)展，雪崩頭部半徑增大，導(dǎo)致明亮的絲放電通道的產(chǎn)生.

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Effects of air gap length on nanosecond pulsed dielectric barrier discharge

QI Hai-cheng1，ZHANG Mei-ying2

(1. School of Physics Science and Technology, Anshan Normal University, Anshan 114005,China； 2. Physics group, Anshan Radio and Television School, Haicheng 114200, China)

Stable atmospheric pressure nanosecond pulsed dielectric barrier discharge is obtained in still air by using parallel-plate electrodes, and effects of air gap length on the electrical characteristic and morphology of the discharge are investigated. The results show that, with the increased air gap length, the breakdown voltage is increased and the discharge intensity is decreased, the reason is that the electrical field is weakened when the air gap length is increased; meanwhile, the discharge morphology is transform from uniform discharge to filamentary discharge, which depends on the developing process of the electron avalanche.

nanosecond pulse；air gap length； dielectric barrier discharge

2016-06-08.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No:11275007);鞍山師范學(xué)院項(xiàng)目(No:11zkxym17).

齊海成(1980-)，男，博士,講師，主要從事等離子體方面的研究.

qhc501@163.com.

O531

A

1673-0569(2016)04-0318-05