脈沖重復頻率對納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電的影響

齊海成，張每英

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

0 引言

近年來，大氣壓下的介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）受到越來越多的研究與關(guān)注［1］，它已經(jīng)逐漸成為大氣壓下產(chǎn)生非平衡等離子體的最主要方式.目前，在許多工業(yè)領(lǐng)域中DBD均被廣泛應用，比如工業(yè)中的材料處理、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的殺菌消毒、工業(yè)上的臭氧合成、航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機點火與助燃以及氣體流動控制等等.多年來對DBD放電過程和原理的研究表明，陽極與陰極之間（放電空間）在外加電源電壓激勵下形成外加電場，由宇宙射線等產(chǎn)生的電子作為種子電子，種子電子受到此電場的作用，能量迅速增大，速度變大.當高速的種子電子與中性粒子碰撞時能夠使其電離，產(chǎn)生的帶電粒子又會被電場加速，再次發(fā)生電離，如此往復，兩電極間產(chǎn)生放電.隨著放電的進行，電子將在陽極一側(cè)的介質(zhì)表面積累，正離子在陰極一側(cè)的介質(zhì)表面積累.電荷分離導致氣隙中形成內(nèi)建電場，其方向與外加電場相反，兩電場疊加.當總電場強度小于某一臨界值時，放電熄滅；下半周期，外加電壓方向改變導致電場方向改變.此時，內(nèi)外電場方向相同，總電場瞬間超過氣隙擊穿的臨界值，氣隙中產(chǎn)生反向放電.一段時間后，帶電粒子被消耗后又反向積累，內(nèi)電場與外電場反向，總電場減弱，放電熄滅.每個脈沖周期的放電過程都將如此重復.文獻中傳統(tǒng)的介質(zhì)阻擋放電采用交流激勵的情況較多.但近十年來，脈沖功率技術(shù)得到了長足發(fā)展，能夠產(chǎn)生脈寬很小、上升沿很短而且電壓很高的電壓脈沖，此類高壓脈沖激勵的放電等離子體也受到廣泛研究［2］.大氣壓下用短脈沖高壓激勵介質(zhì)阻擋放電時可以在陰陽兩電極間形成非常大的電場，這將導致在瞬間形成無數(shù)個電子雪崩，放電因此表現(xiàn)為更加均勻的形態(tài)［3］.由于此類脈沖的寬度很小，氣隙中質(zhì)量較大的帶電粒子幾乎不受到電場的影響，因此基本不動.而電子由于其質(zhì)量極小，在電場作用下加速，能量迅速增大［4］，這導致了短高壓脈沖激勵放電時具有極高的能量利用率［5］.另外，短高壓脈沖放電時，兩電極間的電壓遠高于產(chǎn)生放電所需要的最小電壓，稱為過電壓擊穿，在放電空間中瞬間產(chǎn)生很多高能電子，導致等離子體具有較多的活性粒子.因此，與交流DBD對比，納秒脈沖DBD具有更高的能量利用效率、更加均勻的放電形態(tài).同時，等離子體具有更高的電子密度和更好的化學活性.

由于上述優(yōu)點，越來越多國內(nèi)外學者們開始關(guān)注納秒脈沖放電的機理研究和應用研究［6-11］.但由于納秒脈沖放電過程本身非常復雜，放電過程中涉及大量的放電參數(shù)，如氣隙間距、工作氣體、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖上升沿等等.這些參數(shù)對放電均有一定影響，在前面的工作中本小組研究了氣隙間距對納秒脈沖放電的影響［6］.但到目前為止，關(guān)于納秒脈沖放電的物理機制研究人員仍然沒有達成一致意見，本文在大氣壓下空氣中獲得了穩(wěn)定的納秒脈沖放電，研究了脈沖重復頻率（pulse repetition frequency，PRF）對放電模式、擊穿電壓和放電電流的影響，并對其物理機制進行了細致的分析.

1 實驗裝置及診斷方法

圖1為放電的實驗原理圖.放電系統(tǒng)由放電元件、納秒高壓脈沖電源和診斷系統(tǒng)三部分構(gòu)成.兩塊平行放置的不銹鋼板構(gòu)成了放電元件，電極的長為100 mm、寬為40 mm、厚度為5 mm.1 mm厚度的云母片作為介質(zhì)板經(jīng)導電膠粘結(jié)在電極表面，電極間距可以在1至10 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié).納秒脈沖電源是由俄羅斯托木斯克理工大學高壓所研制，電源主要包含低壓脈沖發(fā)生器和變壓器兩部分，其平均輸出功率大約為500 W.輸出脈沖的峰值電壓可達35 kV，脈沖的上升沿約為40 ns，脈沖的半高寬約為200 ns.脈沖重復頻率（pulse repetitive frequency，PRF）可以在100～1200 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不同PRF下空載脈沖電壓波形如圖2所示，重復性較好.

實驗中采用的診斷設(shè)備主要有Tektronix P6015A（1000×100 MΩ）高壓探頭、Tektronix TCP0150（150 A 20 MHz）電流探頭、光電倍增管（photomultiplier，PMT）和數(shù)碼照相機（尼康D3200）.分別用來探測放電的擊穿電壓、放電電流、對應的光電流信號和單周期的放電形態(tài)圖像，其中電壓、電流和光電流信號采用Tektronix DPO4104（帶寬1.0 GHz，采樣率5 GS/s）數(shù)字示波器記錄并存儲.通過對比電信號和光信號的波形來分析放電發(fā)生到熄滅的過程.放電圖像用以觀察和分析放電模式隨PRF的變化.

2 實驗結(jié)果和討論

調(diào)整納秒脈沖電源的重復頻率為1200 Hz，同時控制兩介質(zhì)板間距離為2 mm，在放電達到穩(wěn)定的狀態(tài)下測量放電電壓、放電電流和放電光電流的時間波形，對比如圖3所示，可知，在一個脈沖周期內(nèi)主要發(fā)生三次放電，依次稱為主放電、二次放電、三次放電.主放電發(fā)生在電壓脈沖的上升沿，當電場強度超過某一臨界值時，氣隙被擊穿.二次放電發(fā)生在電壓脈沖的下降沿（圖中約300 ns處），與主放電的擊穿方向相反.三次放電主要由于電壓脈沖過后的電壓振蕩（圖中約500 ns處）.從放電電流波形可知，主放電可以維持60 ns，最大電流值可達75 A.在電壓脈沖的上升沿，隨著加在兩電極上的電壓的逐漸升高，空間的電場逐漸增強，當超高某一臨界值時，產(chǎn)生放電.放電過程中電子在電場作用下向介質(zhì)板運動并最終在介質(zhì)板上積累，正離子由于較大的質(zhì)量，在幾十納秒的時間內(nèi)難以響應電場的作用，留在放電空間形成空間電荷，所以形成電荷分離，隨著放電的進行，電荷分離導致放電空間形成自建電場，其方向與外加電場方向相反.隨著自建電場的增強，空間總電場被削弱，當總電場強度低于某一臨界值時，主放電熄滅.由于放電產(chǎn)生的空間電荷和表面電荷具有較長的壽命，當電壓下降時，氣隙中的總電場迅速增大，導致二次放電與三次放電的發(fā)生.

調(diào)整放電氣隙為3 mm，脈沖重復頻率分別為100，300，600，1000和1200 Hz，穩(wěn)定放電時測量其電壓電流波形，并在6 mm的氣隙間距下重復測量，實驗得到擊穿電壓隨頻率的變化如圖4所示.可知，兩種氣隙間距下，擊穿電壓都隨著PRF的增加呈下降趨勢.當PRF從100 Hz逐漸增大到1200 Hz時，擊穿電壓降低約7 kV，而且從圖中可以看出，當頻率低于1000 Hz時，隨著頻率的增大，擊穿電壓線性降低，當頻率超過1000 Hz時，擊穿電壓隨頻率的變化減慢.文獻［6］報道了類似的實驗結(jié)果.

在放電氣隙間距分別為3 mm和6 mm條件下，主放電強度如圖5所示.可知，氣隙較大時放電電流較小，而在放電氣隙不變時，放電電流隨脈沖重復頻率的變化很小，3 mm氣隙間距下，最大放電電流維持在60～65 A之間，6 mm的氣隙間距下，最大放電電流維持在52～53 A之間.

針對上述結(jié)果，我們分析了PRF對納秒脈沖DBD放電特性的影響.分析認為這樣的現(xiàn)象主要歸因于放電空間粒子的記憶效應.粒子的記憶效應在許多文獻中都有過報道［7-8］，是指兩次連續(xù)放電的時間間隔較短時，前一次放電所產(chǎn)生的粒子（包括離子及其他活性粒子）在后一次放電時還有一定的殘余，這些殘余粒子對放電的激發(fā)有一定的影響.當然在介質(zhì)阻擋放電中，介質(zhì)表面所積累的大量的表面電荷對下一個脈沖的放電也有一定的影響.研究表明，放電產(chǎn)生的帶電粒子具有很長的壽命，甚至可以存活幾百微秒甚至幾秒的時間［10］，而且這些粒子（多數(shù)為粒子或其他活性基團）受外加電場的影響較小，一方面這些粒子質(zhì)量較大，另一方面電壓脈沖脈寬較小，其在空間產(chǎn)生的電場維持時間較短.所以，這些粒子很難響應電場，將被留在氣隙中.而下一個電壓脈沖到來時，這些正離子在空間形成的電場與外加電場具有疊加作用，使總電場加強，導致氣隙擊穿所需要的外加電壓減小.在高頻率時，相鄰脈沖的時間間隔較短，后一次放電時，殘余粒子較多，所以此時記憶效應更顯著.放電氣隙間距一定時頻率對放電電流無明顯影響.一方面可能是由電源的特性決定的，另一方面，不同頻率時放電模式不同也可能是電流無明星變化的一個原因.低頻率下，放電以絲狀放電為主，以彌散放電為背景.高頻率時，放電主要表現(xiàn)為彌散放電模式，帶有極少量的絲狀放電通道.對于絲狀放電，通道中的電離度很高，具有較大的電流密度，但是有效放電面積較小，而彌散放電雖然電流密度相對較低，但是有效放電面積較大.所以雖然放電模式不同，但放電電流卻無明顯變化.

調(diào)整放電氣隙間距為4 mm時，在不同頻率下獲得穩(wěn)定放電.放電的單周期放電圖像如圖6所示.當PRF為100 Hz時，氣隙中存在著大量的細絲狀放電通道，同時具有彌散放電背景；當PRF增大到300 Hz時，絲放電通道明顯減少；PRF增大到600 Hz時，只存在少數(shù)的細絲狀放電通道；當PRF高于1000 Hz時，沒有明顯的放電通道產(chǎn)生，放電基本上為彌散放電.即隨著PRF的增大，放電逐漸由絲狀放電模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎烹娔Ｊ?通過對比不同氣隙下的放電圖像可知，放電模式也與電極間距有關(guān).實驗結(jié)果表明，在較小的放電間距（2 mm）下，即使低至100 Hz，放電模式也基本為彌散放電，極少有明顯絲通道產(chǎn)生；在較大的放電間距（7 mm）下，即使頻率高達1200 Hz，放電也表現(xiàn)為明顯的絲狀放電模式.經(jīng)分析，空間粒子的記憶效應是放電模式轉(zhuǎn)變的主要原因，放電空間中殘余粒子的密度及其分布對放電模式有明顯影響［11］.頻率較高時，相鄰脈沖時間間隔較小，后一次放電前放電空間的殘余粒子密度較大，但會隨著熱擴散有一定的橫向擴散.所以對于后一次放電來說，種子電子密度較大，而且分布比較均勻.當兩電極間距大時，絲放電通道間距較大，在相同的時間間隔內(nèi)這些粒子的徑向擴散距離基本保持不變，因而后一次放電時這些粒子不能在整個空間內(nèi)達到比較均勻的狀態(tài)，所以大頻率下依然表現(xiàn)為絲狀放電模式.

3 結(jié)論

本實驗研究了脈沖重復頻率對放電特性和放電形態(tài)的影響.實驗研究表明，在一定的放電間距下，隨著脈沖頻率的增大，擊穿電壓逐漸減小，這歸因于氣隙內(nèi)粒子的記憶效應.PRF越大，脈沖時間間隔越小，前一脈沖放電所產(chǎn)生的粒子在后一脈沖放電時仍有很高的密度，使得擊穿電壓減小.但是，放電氣隙間距一定時頻率對放電電流無明顯影響，一方面可能是由電源的特性決定的，另一方面，不同頻率時放電模式不同也可能導致此現(xiàn)象.其他放電參數(shù)一定時，低的PRF將導致放電空間中形成絲狀通道，高的PRF更容易產(chǎn)生彌散放電.此外，放電模式與放電發(fā)生時空間的殘余粒子密度和分布有一定關(guān)系.高頻時，記憶效應明顯，放電的彌散性較好.