大氣壓下微流注空間演化與尺度特征

俞哲,張芝濤,王加偉,趙建森

(大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連 116026)

大氣壓下微流注空間演化與尺度特征

俞哲,張芝濤,王加偉,趙建森

(大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連 116026)

針對(duì)大氣壓下介質(zhì)阻擋放電的絲狀放電模式,建立了針-板放電裝置.利用CCD(charge-coup led device,電荷耦合元件),光譜相機(jī)對(duì)在不同激勵(lì)電壓下的放電形貌進(jìn)行了采集和分析.總結(jié)了微放電模式下微流注的空間演化過(guò)程,對(duì)完全擊穿時(shí)的放電形貌進(jìn)行了分析,給出了描述微流注空間尺度的3個(gè)參量,并利用放電形貌圖對(duì)這3個(gè)參量進(jìn)行了估算,討論3個(gè)參量隨激勵(lì)電壓的變化規(guī)律.

微放電;介質(zhì)阻擋放電;空間演化;特征尺度

介質(zhì)阻擋放電(DBD,dielectric barrier discharge)作為一種可以在大氣壓下產(chǎn)生低溫非平衡等離子體的放電形式,已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].其特點(diǎn)是在2個(gè)金屬電極之間插入至少1塊絕緣介質(zhì),來(lái)限制放電電流的過(guò)快增長(zhǎng),避免了放電向電弧放電過(guò)渡[4].介質(zhì)阻擋放電的主要模式有:絲狀模式、斑圖模式和擴(kuò)散模式[5].而通常在大氣壓下,放電模式主要為絲狀放電,在氣隙寬度小于數(shù)毫米時(shí),微放電的空間徑向尺度小于毫米量級(jí)[6].在微觀尺度下,微放電呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)時(shí)空演變過(guò)程,放電通道內(nèi)的電場(chǎng)、電子能量和電子密度等參量在數(shù)十納秒內(nèi)隨軸向和徑向位置的不同而高度變化,且強(qiáng)烈地依賴放電通道內(nèi)空間電荷和電介質(zhì)層表面沉積電荷的形成,這意味著單獨(dú)的DBD微放電實(shí)際上是一個(gè)高氣壓下流注的形成與發(fā)展過(guò)程.因此,對(duì)微流注的研究有助于了解微流注內(nèi)部的時(shí)空演化機(jī)制,找到影響其時(shí)空演化特性的關(guān)鍵因素.另外,由于大多數(shù)的物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程都發(fā)生在微流注發(fā)展的過(guò)程中,因此仔細(xì)研究獨(dú)立微流注的性質(zhì)對(duì)認(rèn)識(shí)微流注的集體放電效應(yīng)起著舉足輕重的作用.

本文在建立針-板介質(zhì)阻擋放電裝置的前提下,利用CCD(charge-coup led device,電荷耦合元件)影像系統(tǒng)對(duì)尖端放電的微流注影像進(jìn)行采集,觀察到微流注的放電發(fā)展過(guò)程和放電形貌,并給出能夠表示微流注放電形貌空間尺度的3個(gè)參量.

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

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出的是大氣中獨(dú)立微放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.

其中CCD照相機(jī)COOLSNAPEZ,型號(hào)為SON Y ICX285,介質(zhì)片采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的A l2O3,相對(duì)介電常數(shù)為10;尖端電極采用不銹鋼材料制成,尖端處半徑為0.05 mm,與微流注放電通道直徑相當(dāng),因此在1次放電中只能允許1個(gè)微流注的存在,保證CCD相機(jī)拍到的為獨(dú)立微流注;所采用的CCD相機(jī)最短曝光時(shí)間為1μs,為更好地觀察到放電圖像,實(shí)驗(yàn)中為CCD相機(jī)配置了2倍放大的微距鏡頭.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微流注的空間演化

實(shí)驗(yàn)在大氣中進(jìn)行,放電間隙完全暴露在空氣中,圖2是在實(shí)驗(yàn)條件為激勵(lì)電壓3 kV,激勵(lì)頻率10 k Hz;介質(zhì)層厚0.64 mm,放電間隙0.9 mm下,曝光時(shí)間為1μs的CCD相機(jī)拍攝的圖片經(jīng)過(guò)M atlab數(shù)據(jù)可視化和圖像處理工具箱得到微流注放電的光輻射強(qiáng)度分布圖,其中圖上三角為顯示出放電尖端電極位置,下面虛線表示陶瓷介質(zhì)片表面位置.

圖2 微流注發(fā)展過(guò)程Fig.2 Spatial evolution of m icro-discharge

經(jīng)過(guò)大量的圖片采集和處理,篩選出圖2中的圖片,可以清晰地看到1個(gè)微流注由雪崩到發(fā)展最終擊穿的過(guò)程.當(dāng)電壓超過(guò)Paschen擊穿電壓時(shí),由于尖端附近電場(chǎng)強(qiáng)度較高,在尖端電極附近會(huì)產(chǎn)生大量的激發(fā)態(tài)點(diǎn)電子,形成電子雪崩(圖2 a),并在外加電場(chǎng)和本征電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極發(fā)展(圖2 b-g),最終完全擊穿(圖2 h).在微流注擊穿的過(guò)程中,由于在二次電子雪崩的作用下,流注中的激發(fā)態(tài)電子密度不斷增加,使得放電強(qiáng)度增強(qiáng),電離度升高,沉積在電介質(zhì)表面的沉積電荷不斷增多,范圍不斷擴(kuò)大.另外,在整個(gè)擊穿后流注的光強(qiáng)分布來(lái)看,靠近尖端的流注內(nèi)光輻射強(qiáng)度較高,并且向陽(yáng)極方向逐漸減弱,由于流注內(nèi)光的輻射強(qiáng)度正比于電子密度,因此,靠近尖端附近的電子密度較高,這一方面是因?yàn)榧舛烁浇耐饧与妶?chǎng)強(qiáng)度較高,而且沉積在介質(zhì)表面的電荷產(chǎn)生了方向與外加電場(chǎng)方向相反的靜電場(chǎng),使得介質(zhì)表面附近的總電場(chǎng)減小,放電減弱,另一方面由于微流注在發(fā)展的過(guò)程中的擴(kuò)散作用使得電子密度不斷減小.當(dāng)沉積電荷逐漸增多,反向靜電場(chǎng)不斷增強(qiáng),最終導(dǎo)致放電間隙內(nèi)的總電場(chǎng)小于擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度,導(dǎo)致放電熄滅.當(dāng)微流注完全擊穿時(shí)(圖2 h),會(huì)發(fā)現(xiàn)在流注與介質(zhì)板相接處的位置有許多放電的叉狀分支,即放電通道的彎曲,這是由于介質(zhì)層表面沉積電荷的影響所致,后文將給出解釋.

2.2 微流注的空間形貌

圖3所顯示的是在不同激勵(lì)電壓下微流注完全擊穿時(shí)的空間形貌.實(shí)驗(yàn)條件為頻率10 k Hz,介質(zhì)層厚0.64 mm,放電間隙0.9 mm,曝光時(shí)間1μs.實(shí)驗(yàn)中通過(guò)觀察完全擊穿時(shí)放電通道的形貌發(fā)現(xiàn),放電通道并不是垂直于介質(zhì)表面并且圓柱形對(duì)稱的在放電間隙間傳播,而是絕大多數(shù)的放電通道是向兩邊彎曲,即放電通道與介質(zhì)面接觸點(diǎn)在一個(gè)范圍內(nèi)的不同點(diǎn)交替出現(xiàn),更多的情況是偏離尖端垂直對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn),并且隨著電壓的增加這種現(xiàn)象尤為明顯.這是由于沉積電荷的存在造成的.由于介質(zhì)導(dǎo)電能力較差,電荷便沉積在介質(zhì)表面,形成方向與激勵(lì)電場(chǎng)方向相反的靜電場(chǎng),使放電熄滅.在第2次擊穿時(shí),沉積電荷來(lái)不及傳導(dǎo)消散,形成的靜電場(chǎng)依然存在,而且由于中心的沉積電荷較多靜電場(chǎng)較強(qiáng),不利于放電通道在原有位置重新形成,而是在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬蓮澢姆烹娡ǖ?第3次放電時(shí)又在另一處?kù)o電場(chǎng)較弱的位置形成新的放電通道,形成觀察到的微流注放電通道彎曲的放電現(xiàn)象.

圖3 不同激勵(lì)電壓下微流注形態(tài)比較Fig.3 M icro-dischargemorphology in differen t applied voltage

2.3 微流注的空間尺度

為了準(zhǔn)確描述微流注的空間尺度特征,這里標(biāo)定了3個(gè)量,如圖4.D1用來(lái)描述流注通道呈圓柱部分的直徑,D2描述其獨(dú)立微流注彎曲放電通道所達(dá)到最大范圍的直徑,h用來(lái)表示放電通道開(kāi)始彎曲時(shí)的空間位置.上文中認(rèn)為通道彎曲的原因是由于介質(zhì)層表面的沉積電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)所致,因此D2和h亦可用來(lái)表示靜電場(chǎng)所影響的最大橫向范圍和縱向范圍.利用CCD所拍攝的圖像,并通過(guò)對(duì)圖像的計(jì)算,可以很容易得到這3個(gè)參量.

圖5-7分別為D1,h和D23個(gè)參量隨激勵(lì)電壓的變化規(guī)律.由于激勵(lì)電壓的提高,使得由于非彈性碰撞引起的電離作用增強(qiáng),使得帶電離子更容易向周圍擴(kuò)散,因此放電通道直徑隨著激勵(lì)電壓的提高而增加(圖5),其值為0.04～0.2 mm.對(duì)于h和D2值,當(dāng)激勵(lì)電壓為3 000 V時(shí)其值為0,說(shuō)明當(dāng)激勵(lì)電壓小到一定值時(shí),介質(zhì)表面沉積電荷較少,沉積電荷產(chǎn)生的反向電場(chǎng)很小,對(duì)激勵(lì)電場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響或影響范圍很小.而當(dāng)激勵(lì)電壓不斷增大時(shí),由于在放電間隙間的傳輸?shù)碾姾蓴?shù)量增多,沉積電荷的數(shù)量也隨之變多,由沉積電荷產(chǎn)生的反向電場(chǎng)增大,放電通道出現(xiàn)明顯的彎曲.

3 結(jié)論

本工作利用了針-板介質(zhì)阻擋放電裝置和CCD照相系統(tǒng),對(duì)大氣中微流注的放電形貌進(jìn)行了采集和分析.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在介質(zhì)表面沉積電荷的影響下,放電通道會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲,微流注形貌表現(xiàn)出不同的空間尺度,計(jì)算出了描述空間尺度的3個(gè)參量D1,D2和h隨著激勵(lì)電壓升高而增加.該實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于介質(zhì)阻擋放電中微放電模式的進(jìn)一步研究有著重要的參考價(jià)值.

[1]王新新.介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2009,35(1):1-11.

[2]白希堯,白敏冬,楊波,等.強(qiáng)電場(chǎng)中離子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及應(yīng)用基礎(chǔ)研究進(jìn)展[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué),2004,4:23-28.

[3]張芝濤,白敏冬,白敏菂,等.環(huán)境友好條件下甲烷等離子體轉(zhuǎn)化生成液態(tài)產(chǎn)物、氫和氨的研究[J].科學(xué)通報(bào),2009, 54(5):579-584.

[4]KOGELSCHA TZU.Dielectric-barrier discharges:their histo ry,discharge physics,and industrial app lications[J].Plasma chemistry and p lasma p rocessing,2003,23(1):1-46.

[5]KOGELSCHA TZ U.Filamentary,patterned,and diffuse barrier discharges[J].IEEE Trans Plasma Sci,2002,30(4): 1400-1408.

[6]BAGIROV M A,NURAL IV E N E,KURBANOV M A.Investigation of discharge in air gap w ith dielectric and technique for determination of number of partial discharge[J].J Tech Phys,1972,43:629.

[7]徐學(xué)基,揭亞雄.介質(zhì)阻擋放電擊穿過(guò)程的研究[J].復(fù)旦學(xué)報(bào),1997,36(3):268-274.

[8]FALKENSTIN Z,COOGAN J J.Microdischarge behaviour in the silent discharge of nitrogen-oxygen and w ater-air m ixtures[J].J Phys D:App l Phys,1997,30:817-825.

[9]DUCASSEO,PAPAGEORGH IOU L,EICHWALD O,et al.Criticalanalysison two-dimensional point-to-p lane streamer simulations using the finite element and finite volumemethods[J].IEEE Trans Plasma Sci,2007,35(5):1278-1300.

Spatial Evolution and Characteristic Scale of Single M icro-discharge at Atmospheric Pressure

YU Zhe,ZHANG Zhi-tao,WANGJia-w ei,ZHAO Jian-sen
(Department of Physics,Dalian M aritime University,Dalian 116026,China)

M icro-discharge at atmospheric p ressu re has been observed by using p in-p lane electrodes in dielectric barrier discharge device.Dischargemo rpho logy in different applied voltage has been acquired and analyzed by CCD camera.The spatial evolution of micro-discharge was shown in this paper.After analyzing the discharge morphology,three parameterswere p roposed to depict the characteristic scale of microdischarge.The param etersw ere estim ated using the dischargemo rpho logy,and then the variation w ith the app lied vo ltage was discussed.

micro-discharge;dielectric barrier discharge;spatial evo lution;characteristic scale

O 461

A

1000-1565(2010)05-0468-04

2010-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50877005)

俞哲(1985—),男,遼寧營(yíng)口人,大連海事大學(xué)在讀碩士研究生.

(責(zé)任編輯:孟素蘭)