超點(diǎn)陣斑圖形成前放電絲時(shí)空特征

李媛媛,董麗芳,宋倩,肖紅,岳晗

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

超點(diǎn)陣斑圖形成前放電絲時(shí)空特征

李媛媛,董麗芳,宋倩,肖紅,岳晗

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

為了更清楚地了解超點(diǎn)陣版圖形成的規(guī)律,實(shí)驗(yàn)研究了介質(zhì)阻擋放電中超點(diǎn)陣形成前放電絲的時(shí)空特征.結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果單個(gè)放電絲邊界呈鋸齒狀,放電絲沒有固定的運(yùn)動(dòng)方向,并且單個(gè)放電絲的放電時(shí)間間隔沒有明顯的長(zhǎng)短交替行為,那么升高外加電壓后斑圖不會(huì)演化成超點(diǎn)陣斑圖.如果單個(gè)放電絲的邊界平滑、相互之間存在粘連并且運(yùn)動(dòng)方向總朝著幾個(gè)固定的方向,單個(gè)放電絲的放電時(shí)間間隔有明顯長(zhǎng)短交替行為,那么升高外加電壓將出現(xiàn)超點(diǎn)陣斑圖.

介質(zhì)阻擋放電;超點(diǎn)陣斑圖;微放電通道;時(shí)空特征

介質(zhì)阻擋放電,亦稱無(wú)聲放電,是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電過程[1].介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)通常由2個(gè)平行電極組成,其中至少有1個(gè)電極上覆蓋有電介質(zhì),電極兩端連接外加高壓交流電.當(dāng)兩極間的電壓達(dá)到氣體的擊穿閾值時(shí),氣體擊穿形成放電.在大氣壓或更高氣壓條件下,放電電流是由大量微放電通道(又叫放電絲)組成,這種放電模式被稱為流光模式.在適當(dāng)?shù)臈l件下,放電絲會(huì)通過自組織形成穩(wěn)定的、規(guī)則的斑圖[2-4].斑圖是在空間或時(shí)間上具有某種規(guī)律性的宏觀結(jié)構(gòu),是由于系統(tǒng)中微觀參量間的相互作用而導(dǎo)致的宏觀量有序分布的狀態(tài),是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象.在斑圖動(dòng)力學(xué)的研究中,既存在簡(jiǎn)單的斑圖又存在較復(fù)雜的超點(diǎn)陣斑圖.通常按斑圖包含空間波矢數(shù)的多少,將斑圖粗略地分為3類:具有單個(gè)波矢的稱之為簡(jiǎn)單斑圖,具有2個(gè)或2個(gè)以上的有限個(gè)波矢的超點(diǎn)陣斑圖和準(zhǔn)晶斑圖[5]和具有無(wú)限波矢的混沌態(tài).以往的研究對(duì)簡(jiǎn)單斑圖和混沌方面的研究比較多,而對(duì)超點(diǎn)陣斑圖的研究甚少.主要是因?yàn)樗鼈儼ǘ鄠€(gè)不穩(wěn)定模的激發(fā)、競(jìng)爭(zhēng)及非線性共振相互作用過程,并且能涉及遠(yuǎn)離系統(tǒng)初級(jí)分叉點(diǎn)的非線性動(dòng)力學(xué)行為,并且超點(diǎn)陣斑圖形成的實(shí)驗(yàn)條件苛刻在實(shí)驗(yàn)中很難獲得.但是,作為一類復(fù)雜的時(shí)空結(jié)構(gòu),超點(diǎn)陣斑圖[6-7]已成為目前斑圖動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn).雖然存在于不同系統(tǒng)中斑圖形成的具體機(jī)制不同,但斑圖在形態(tài)、形成及演化上具有相似性.也正是由于這些原因,人們迫切希望獲得豐富多樣的超點(diǎn)陣斑圖,并對(duì)它們進(jìn)行深入研究,搞清上述多模非線性共振相互作用過程和非線性動(dòng)力學(xué)行為,進(jìn)而揭示斑圖形成的非線性自組織規(guī)律,和推動(dòng)斑圖動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展.

本工作研究了超點(diǎn)陣斑圖形成之前的放電絲的時(shí)空特征,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了幾種超點(diǎn)陣斑圖形成之前的單個(gè)微放電絲存在時(shí)空共性,這將有助于解釋超點(diǎn)陣斑圖產(chǎn)生的根本原因和控制超點(diǎn)陣的形成,這對(duì)介質(zhì)阻擋放電超點(diǎn)陣電斑圖的研究具有重要意義.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.放電電極由2個(gè)裝滿水的內(nèi)徑為70 mm的有機(jī)玻璃管組成,與高壓電源兩端相連的金屬絲浸入到水中,有機(jī)玻璃管的兩端用厚度為1.5 mm的玻璃封住,玻璃兼作介質(zhì)使用.整個(gè)電極系統(tǒng)放入一個(gè)密封的氣室中.氣室中可充入比例不同的空氣和氬氣的混合氣體.交流高壓電源電壓在0～10 kV可調(diào),頻率固定為55 kHz.不同形狀、厚度的邊界夾在介質(zhì)之間.氣室內(nèi)的氣壓在0.5×105～1×105Pa內(nèi)變化.其兩側(cè)設(shè)有觀察窗,用數(shù)碼相機(jī)(Konica Minolta Dimage Z2)從一端面拍攝放電絲的空間分布,另一端放電的光信號(hào)通過光電倍增管PM T(RCA 7625)采集并輸入數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4054,500 M Hz).使用頻率為55 kHz的正弦交流電源,電壓由高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)測(cè)得,并用示波器記錄、存儲(chǔ).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimen tal setup

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)在不同條件下得到了不能形成超點(diǎn)陣斑圖放電絲的空間分布及其發(fā)光信號(hào)如圖2,超點(diǎn)陣斑圖和超點(diǎn)陣形成前放電絲的空間分布以及其單個(gè)放電絲的發(fā)光信號(hào)如圖3,4.如圖2為升壓過程中未出現(xiàn)超點(diǎn)陣斑圖,U=4.92 kV;頻率f=55 k Hz;氣隙間距d=2.4 mm;氣壓p=0.6×105Pa;空氣體積分?jǐn)?shù)χ=10%.

圖2 升高電壓過程中不出現(xiàn)超點(diǎn)陣的斑圖及其單個(gè)放電絲的發(fā)光信號(hào)Fig.2 Filamen ts pattern and the waveform of optical em ission from a filament in the state from which no superlattice pattern is formed when driving voltage is incresed

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同條件下得到的超點(diǎn)陣斑圖在形成前在時(shí)空結(jié)構(gòu)上具有一定的相似性.從簡(jiǎn)單斑圖或者隨機(jī)放電絲向超點(diǎn)陣斑圖演化時(shí),首先放電絲開始運(yùn)動(dòng),這種放電絲的運(yùn)動(dòng)與隨機(jī)放電絲的運(yùn)動(dòng)不同.隨機(jī)放電絲的運(yùn)動(dòng)方向在各個(gè)方向都有可能,具有一定的隨機(jī)性,從簡(jiǎn)單斑圖或者隨機(jī)放電絲向超點(diǎn)陣斑圖演化時(shí),大多數(shù)放電絲只朝著有限、固定的幾個(gè)方向運(yùn)動(dòng).而這幾個(gè)方向正是超點(diǎn)陣斑圖形成后波矢的方向.這種現(xiàn)象,可能是微放電通道在空間上發(fā)生重排過程中在宏觀可視范圍的一個(gè)表現(xiàn).對(duì)比圖2 a與圖3-4 b,圖2 a中的單個(gè)放電絲的邊界有呈鋸齒狀的毛刺;圖3-4 b超點(diǎn)陣斑圖產(chǎn)生前的單個(gè)放電絲的邊界則為平滑的曲線,并且各個(gè)放電絲間有相互粘連的行為.這種粘連行為具體表現(xiàn)為,相鄰2個(gè)微放電之間存在有亮度較小的暈,使得原來彼此孤立的2個(gè)單個(gè)微放電通道之間的界限變得模糊.對(duì)比圖2 b與圖3-4 c,從時(shí)間上來看,超點(diǎn)陣產(chǎn)生前的放電絲放電時(shí)間間隔長(zhǎng)短交替的特征更明顯.在演化過程中不能夠形成超點(diǎn)陣斑圖的放電絲2次放電的時(shí)間間隔Δt相等,為一個(gè)常數(shù).對(duì)于在升壓過程可以形成超點(diǎn)陣斑圖的單個(gè)放電絲在從簡(jiǎn)單斑圖或者隨機(jī)放電絲向超點(diǎn)陣斑圖演化的過程中會(huì)出現(xiàn)單個(gè)放電絲放電時(shí)間間隔長(zhǎng)短交替的現(xiàn)象.

圖3 超六邊形斑圖形成前放電絲及其光信號(hào)Fig.3 Filamen ts pattern and the waveform of optica l em ission from a filament in the state from which hexagonal superlattice pattern is formed as driving voltage incresing

圖4 超四邊形斑圖前放電絲及其光信號(hào)Fig.4 Filaments pattern and the waveform of optical em ission from a f ilament in the state from which square superlattice pattern is formed when driving voltage is incresed

眾所周知,在介質(zhì)阻擋放電中,由于電介質(zhì)的存在,放電產(chǎn)生的電荷積累在介質(zhì)層的表面形成壁電荷.壁電荷形成與外加電場(chǎng)方向相反的內(nèi)建電場(chǎng),其作用是熄滅本次放電.當(dāng)下一個(gè)半周來臨時(shí),外加電壓改變方向,內(nèi)建電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相同,因而其作用是促進(jìn)放電.本次放電積累的壁電荷越多,下次放電需要的外加電壓越低,這樣形成時(shí)間上壁電荷放電的長(zhǎng)短交替現(xiàn)象.超點(diǎn)陣形成前的放電絲呈現(xiàn)更明顯的長(zhǎng)短交替放電,說明介質(zhì)阻擋放電中簡(jiǎn)單斑圖和隨機(jī)放電絲在向超點(diǎn)陣轉(zhuǎn)化的過程中介質(zhì)表面的壁電荷積累更多.

3 結(jié)論

采用介質(zhì)阻擋放電裝置,研究了超點(diǎn)陣斑圖形成前微放電通道的時(shí)空特征.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果單個(gè)放電絲邊界呈鋸齒狀,放電絲沒有固定的運(yùn)動(dòng)方向,放電絲的放電時(shí)間間隔沒有明顯的長(zhǎng)短交替行為,那么升高外加電壓后不會(huì)出現(xiàn)超點(diǎn)陣斑圖.如果單個(gè)放電絲的邊界平滑,相互之間存在粘連,并且運(yùn)動(dòng)方總朝著幾個(gè)固定的方向(這幾個(gè)方向就是超點(diǎn)陣波矢的方向),放電絲的放電時(shí)間間隔有明顯長(zhǎng)短交替行為,那么升高外加電壓將出現(xiàn)超點(diǎn)陣斑圖.本文對(duì)研究介質(zhì)阻擋放電超點(diǎn)陣斑圖的形成的原因和控制超點(diǎn)陣斑圖的形成具有重要意義,同時(shí)對(duì)其他系統(tǒng)的超點(diǎn)陣斑圖動(dòng)力學(xué)探究也有一定的參考價(jià)值.

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(責(zé)任編輯:孟素蘭)

Spatial and Temporal Characteristics of the Filaments Before Superlattice Pattern Formation

LIYuan-yuan,DONGLi-fang,SONGQian,XIAO Hong,YUEHan
(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

Spatial and temporal characteristics of filaments in the state befo re superlattice pattern formation has been investigated in dielectric barrier discharge.It is found that,if individual filamentw ith serrated border,w ith no fixed direction in motion,and time intervals between two adjacent discharges are almost equal,no super-lattice pattern is fo rmed w hen the d riving vo ltage is increased.If the boundary of individual filament is smooth,time intervals between two adjacent discharge are obviously not equal,w ith dim discharge between two filaments,and fixed directions in motion,super-lattice pattern is fo rmed as the driving voltage increasing.

dielectric barrier discharge;superlattice pattern;filament;spatial and tempo ral characteristics

O 461

A

1000-1565(2010)06-0643-04

2009-11-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10775037);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A 2008000564)

李媛媛(1983—),女,河北保定人,河北大學(xué)在讀碩士研究生.

董麗芳(1963—),女,河北保定人,河北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要從事等離子體方向研究.