氣體放電斑圖演變過(guò)程中的電子激發(fā)溫度

劉書華,楊帆,宋建民,劉東州,劉立芳,那木拉

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,河北保定 071001;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北保定 071001)

氣體放電斑圖演變過(guò)程中的電子激發(fā)溫度

劉書華1,楊帆2,宋建民1,劉東州1,劉立芳1,那木拉1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,河北保定 071001;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北保定 071001)

為了探討介質(zhì)阻擋放電中斑圖演變與等離子參量之間的內(nèi)在聯(lián)系,采用比較譜線相對(duì)強(qiáng)度法測(cè)量了介質(zhì)阻擋放電斑圖演變過(guò)程中電子激發(fā)溫度的變化.結(jié)果顯示:隨著電壓的升高,斑圖類型由點(diǎn)狀斑圖逐漸演變?yōu)辄c(diǎn)線混合狀斑圖及線狀斑圖,在此過(guò)程中,電子激發(fā)溫度逐漸升高.但當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)點(diǎn)狀斑圖時(shí),電子激發(fā)溫度隨電壓增長(zhǎng)緩慢,只有當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)點(diǎn)線混合狀斑圖后,電子激發(fā)溫度才隨著外加電壓顯著升高.實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了點(diǎn)線螺旋波斑圖的電子激發(fā)溫度隨放電氣體中空氣含量的變化關(guān)系.結(jié)果表明:空氣含量越大,則點(diǎn)線螺旋波斑圖的電子激發(fā)溫度越高.

介質(zhì)阻擋放電;電子激發(fā)溫度;斑圖

斑圖(pattern)是在空間或時(shí)間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu),廣泛存在于自然界,如動(dòng)物的體表花紋、天空的云街及沙漠條紋等.隨著斑圖動(dòng)力學(xué)在揭示自然界奧妙及其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景日益凸現(xiàn)[1-2],逐漸形成了世界范圍的研究熱潮.介質(zhì)阻擋放電,是2個(gè)電極間至少放置1層電介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的氣體放電[3],由于其放電的可視化特性以及適度的斑圖形成時(shí)間尺度,為斑圖動(dòng)力學(xué)研究提供了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).在該系統(tǒng)中已經(jīng)得到諸如六邊形、四邊形、螺旋波等豐富的斑圖類型[4-6].然而,對(duì)于介質(zhì)阻擋放電斑圖的形成機(jī)理,目前尚沒(méi)有一個(gè)成熟的理論模型.而現(xiàn)有的斑圖動(dòng)力學(xué)唯象普適模型并不能完全描述介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的斑圖現(xiàn)象.要想從本質(zhì)上描述介質(zhì)阻擋放電中斑圖自組織形成、選擇和演化的物理機(jī)制,必須從等離子體放電機(jī)理出發(fā),建立真正意義上的氣體放電斑圖模型,而模型的建立需要有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持.本工作采用光譜法對(duì)介質(zhì)阻擋放電斑圖演變過(guò)程中的電子激發(fā)溫度進(jìn)行測(cè)量,探討斑圖演變與等離子參量之間的關(guān)系.該工作為研究介質(zhì)阻擋放電斑圖動(dòng)力學(xué)機(jī)理提供了一種新的研究方法,為建立介質(zhì)阻擋放電斑圖模型提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置與文獻(xiàn)[7]基本相同,2個(gè)裝滿水的圓柱形容器,兩端用厚度為1.5 mm的光學(xué)玻璃片封住,與高壓交流電源兩極相連的金屬環(huán)浸入水中充當(dāng)液體電極,端面玻璃充當(dāng)電介質(zhì)層.電源的電壓為0～10 kV,頻率為26～80 k Hz,放電氣體為氬氣或氬氣和空氣的混合氣體.雙水電極被放在密閉的氣體反應(yīng)室中.斑圖的記錄采用數(shù)碼相機(jī)(Tek tronix TDS 3054B).用高壓探頭(Tek tronix P6015A,1000X)通過(guò)數(shù)字示波器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電源的頻率和外加電壓的監(jiān)測(cè),通過(guò)50Ω電阻測(cè)量電流信號(hào).放電所發(fā)的光信號(hào)用光電倍增管(RCA 7265)探測(cè),并輸入數(shù)字示波器(Tektronix TDS3054,500 M Hz)進(jìn)行采集記錄.從放電間隙發(fā)射的光經(jīng)焦距為10 cm透鏡會(huì)聚后,由位于發(fā)光中心位置的光纖導(dǎo)入光譜儀,通過(guò)計(jì)算機(jī)采集并存儲(chǔ)光譜信號(hào).所采用的單色儀型號(hào)為ACTON SP-2758.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中,拍攝斑圖照片、采集發(fā)射光譜和測(cè)量放電信號(hào)同步進(jìn)行.其他參數(shù)保持不變,在升高電壓的過(guò)程中,放電系統(tǒng)經(jīng)歷了擊穿放電—隨機(jī)放電絲—六邊形斑圖—準(zhǔn)晶態(tài)—點(diǎn)線混合態(tài)—花狀斑圖—網(wǎng)格斑圖—反六邊斑圖等一系列演變過(guò)程.圖1給出了斑圖演化序列照片及相應(yīng)的電信號(hào).放電區(qū)域直徑D=68 mm,氣隙寬度d=1.5 mm.

可以看出,隨著外加電壓的升高,斑圖形態(tài)由點(diǎn)狀斑圖逐漸演變?yōu)辄c(diǎn)線混合狀斑圖以及線狀斑圖.為了探討斑圖演變與放電等離子參量的關(guān)系,筆者對(duì)演變過(guò)程的電子激發(fā)溫度進(jìn)行了測(cè)量.實(shí)驗(yàn)中,在680～800 nm內(nèi)測(cè)量了介質(zhì)阻擋放電的發(fā)射光譜(曝光時(shí)間500 m s,入射狹縫寬度是50μm).選用763.51 nm(2P6→1S5),772.42 nm(2P2→1S3)2條譜線,通過(guò)比較其發(fā)光強(qiáng)度,對(duì)激發(fā)溫度進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算原理見(jiàn)文獻(xiàn)[8].

圖2給出了電子激發(fā)溫度在斑圖演化過(guò)程中隨外加電壓的變化關(guān)系.圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)是多次測(cè)量的平均值,誤差棒是多次測(cè)量的最大偏差.AB區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)隨機(jī)放電絲或六邊形,BC區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)準(zhǔn)晶斑圖,CD區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的是點(diǎn)線混合態(tài),DE區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的是花狀斑圖,EF區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)網(wǎng)格斑圖,F后是反六邊形斑圖.可以看出,隨著電壓的升高,斑圖類型由點(diǎn)狀斑圖逐漸演變?yōu)辄c(diǎn)線混合狀斑圖及線狀斑圖,在此過(guò)程中,電子激發(fā)溫度總體上隨著外加電壓的升高而升高,但當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)點(diǎn)狀斑圖時(shí),電子激發(fā)溫度增長(zhǎng)緩慢,只有當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)點(diǎn)線混合狀斑圖后,電子激發(fā)溫度才隨著電壓顯著升高.

圖1 斑圖演變過(guò)程及其電信號(hào)Fig.1 Bifurcation scenarios of patternsand the corresponding electric signals

電子激發(fā)溫度應(yīng)與放電時(shí)電極間的總電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,也就是說(shuō),電極間的場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng),則電子激發(fā)溫度越高.外加電壓較低時(shí),區(qū)域中出現(xiàn)的是點(diǎn)狀斑圖,斑圖背景為大片的暗區(qū),這時(shí)有許多區(qū)域尚未放電.因此,在外加電壓的上升沿,只要總電場(chǎng)在某處超過(guò)擊穿閾值,就會(huì)在該處產(chǎn)生微放電,電壓再升高,又會(huì)有其他某處的微放電出現(xiàn)(在實(shí)驗(yàn)中,放電絲的數(shù)量逐漸增多說(shuō)明了這一點(diǎn)),使得電場(chǎng)又被拉回到擊穿閾值附近.這樣一來(lái),放電時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)始終保持在擊穿閾值附近,因此,電子激發(fā)溫度升高緩慢.

隨著外加電壓的升高,系統(tǒng)中出現(xiàn)點(diǎn)線混合狀斑圖或線狀斑圖,此時(shí),斑圖背景變得很亮,說(shuō)明電場(chǎng)中基本上所有的地方都有過(guò)放電,再產(chǎn)生新的放電通道的機(jī)會(huì)不大,從而放電時(shí)通道中的場(chǎng)強(qiáng)可隨外加電壓幅值的升高而增強(qiáng),因此,電子激發(fā)溫度也隨著外加電壓幅值的升高而顯著升高.

實(shí)驗(yàn)中,筆者還測(cè)量了電子激發(fā)溫度隨放電氣體中空氣含量的變化關(guān)系.圖3為點(diǎn)線螺旋波斑圖的電子激發(fā)溫度與空氣含量的關(guān)系.從圖中看出,點(diǎn)線螺旋波斑圖的電子激發(fā)溫度隨空氣含量的增大而升高.在介質(zhì)阻擋放電中,由于組成斑圖的單元是放電絲(微放電通道),系統(tǒng)要形成特定的斑圖類型,電流密度必須達(dá)到一定的數(shù)值.由于空氣中的氧氣是電負(fù)性氣體,當(dāng)放電氣體中的空氣含量增大時(shí),氧分子含量增多,較多的電子被吸附,使得放電區(qū)域中雪崩的傳播被減弱,電流密度相應(yīng)減小.因此,要產(chǎn)生同樣類型的斑圖,需要提供更大的能量,從而需要升高外加電壓,于是造成了電子激發(fā)溫度的升高.由上面分析推得,在其他條件不變的情況下,增加放電氣體中的空氣含量,將導(dǎo)致斑圖形成電壓的升高.為了證明該推論,筆者對(duì)不同空氣含量下的點(diǎn)線螺旋波形成電壓進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生電壓的確隨放電氣體中空氣含量的增大而升高,與上述推論一致.例如空氣體積分?jǐn)?shù)為1.16%時(shí),點(diǎn)線螺旋波的產(chǎn)生電壓為3.1 kV,空氣體積分?jǐn)?shù)為1.8%時(shí),產(chǎn)生電壓為4 kV.

考察斑圖演變過(guò)程中的放電信號(hào)(圖1),可以看出,不同形態(tài)的斑圖擊穿放電時(shí)刻不同:在點(diǎn)狀斑圖區(qū),擊穿放電發(fā)生在電壓波形的上升沿;準(zhǔn)晶態(tài)斑圖擊穿放電發(fā)生在電壓波形的過(guò)零點(diǎn)附近,點(diǎn)線狀斑圖及線狀斑圖擊穿放電則發(fā)生在電壓波形的下降沿.這一現(xiàn)象可解釋為壁電荷作用的結(jié)果[5].介質(zhì)阻擋放電過(guò)程中,正負(fù)帶電粒子在電場(chǎng)的作用下分別向兩極運(yùn)動(dòng),沉積在介質(zhì)表面形成壁電荷.壁電荷產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)放電起著雙重作用,本半周與外加電場(chǎng)反向,對(duì)放電起熄滅作用,下半周則與外加電場(chǎng)同向,對(duì)放電起促進(jìn)作用,使得放電所需要的電壓變小,上半周積累的壁電荷越多,放電所需的外加電壓越小,放電的時(shí)刻越提前.當(dāng)壁電荷足夠多時(shí),在電壓的下降沿就可產(chǎn)生放電.由此可知,放電斑圖的形態(tài)與介質(zhì)層上形成的壁電荷的數(shù)量有關(guān),當(dāng)壁電荷較少時(shí)只能形成點(diǎn)狀斑圖,隨著壁電荷數(shù)量的增多,斑圖逐漸演變?yōu)辄c(diǎn)線狀及線狀.結(jié)合前面的討論,可以得出,電子激發(fā)溫度也應(yīng)與壁電荷的數(shù)量有著密切的聯(lián)系,進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行中.

3 結(jié)論

用比較譜線相對(duì)強(qiáng)度法測(cè)量了斑圖演變過(guò)程中電子激發(fā)溫度的變化,結(jié)果顯示:當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)點(diǎn)狀斑圖時(shí),電子激發(fā)溫度隨電壓增長(zhǎng)緩慢,只有當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)點(diǎn)線混合狀斑圖后,電子激發(fā)溫度才隨著外加電壓顯著升高.實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),點(diǎn)線螺旋波斑圖的電子激發(fā)溫度隨放電氣體中空氣含量的增大而升高.

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Measure the Electron Excitation Temperature of the Pattern Bifurcation in Gas Discharge

LIU Shu-hua1,YANG Fan2,SONGJian-min1,LIU Dong-zhou1,LIU Li-fang1,NA Mu-la1
(1.Co llege of Science,A gricultu ral U niversity of Hebei,Baoding 071001,China;2.Co llege of Mechanic and Electric Engineering,Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)

To find the mechanism of pattern fo rmation in dielectric barrier discharge,the electron excitation temperatu re of pattern bifurcation w as m easured using intensity ratio method.The results show ed that the pattern evo lves f rom spo ts to mixture of spo ts and rollso r rollsonly as the app lied voltagewas increased.During the course,the electron excitation temperature increased gradually.However,the electron excitation temperature increased slow ly w hen the system disp layed spots patterns.The electron excitation temperature increased rapidly only after the system disp layed the mixture of spots and rolls pattern state.The relationship between the electron excitation temperature of dot-line spiral pattern and the air ratio mixed in the discharge gaswas studied.Itwas found that the larger ratio of the air was,the higher the excitation temperature of dot-line spiral was.

dielectric barrier discharge;electron excitation temperature;patterns

O 461.2;O 433.4

A

1000-1565(2010)05-0472-05

2010-04-10

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)非生命學(xué)科和新興學(xué)科科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目(FS200909);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A2009000149);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10805013)

劉書華(1965—),女,河北平山人,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授,主要從事等離子體及斑圖數(shù)值模擬方向研究.

(責(zé)任編輯:孟素蘭)