不同結(jié)構(gòu)六邊形斑圖演化過(guò)程光譜特性

馮建宇， 董麗芳， 魏領(lǐng)燕， 郝 芳, 杜 天, 崔義乾

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

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不同結(jié)構(gòu)六邊形斑圖演化過(guò)程光譜特性

馮建宇， 董麗芳*， 魏領(lǐng)燕， 郝 芳, 杜 天, 崔義乾

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

采用發(fā)射光譜法，研究了水電極介質(zhì)阻擋放電中具有相同對(duì)稱(chēng)性的3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖演化過(guò)程的光譜特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著外加電壓的增加，放電首先形成六邊形點(diǎn)陣斑圖，然后是空心六邊形斑圖，最后是蜂窩六邊形斑圖。利用氬原子696.5 nm(2P2→1S5)譜線的展寬、氬原子763.2 nm(2P6→1S5)與772.1 nm(2P2→1S3)兩條譜線強(qiáng)度比法和氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的發(fā)射譜線，研究上述3種斑圖的電子密度、電子激發(fā)溫度及分子振動(dòng)溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著外加電壓的升高，六邊形點(diǎn)陣斑圖、空心六邊形斑圖和蜂窩六邊形斑圖的電子密度逐漸減小，而電子激發(fā)溫度和分子振動(dòng)溫度逐漸增加。等離子體狀態(tài)的改變直接影響著斑圖的自組織。

介質(zhì)阻擋放電； 斑圖； 發(fā)射光譜； 電子密度； 電子激發(fā)溫度； 分子振動(dòng)溫度

1 引 言

介質(zhì)阻擋放電(DBD)是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電，已經(jīng)成為低溫等離子體的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域[1-4]。至少一個(gè)覆蓋著電介質(zhì)層的兩個(gè)平行板電極組成其核心裝置。當(dāng)外加的高頻交流電壓達(dá)到氣體擊穿閾值時(shí)，會(huì)在兩個(gè)極板間形成等離子體，即放電絲。在合適的條件下，放電絲能夠通過(guò)自組織形成穩(wěn)定的斑圖[5-9]。斑圖是具有某種特定的時(shí)間或者空間規(guī)律的非均勻結(jié)構(gòu)，是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象。近些年，由介質(zhì)阻擋放電裝置產(chǎn)生的斑圖，因其具有自身發(fā)光、合適的時(shí)間尺度和廣闊的應(yīng)用前景等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注[10-13]。

等離子體的激發(fā)物質(zhì)從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷會(huì)輻射出光，據(jù)此能夠得到發(fā)射光譜。發(fā)射光譜中攜帶著大量的信息。通過(guò)對(duì)發(fā)射光譜進(jìn)行分析，能夠得到等離子體的電子密度、電子激發(fā)溫度和分子振動(dòng)溫度等等離子體參量。與此同時(shí)，發(fā)射光譜還是一種實(shí)時(shí)、原位、對(duì)體系無(wú)擾動(dòng)、時(shí)空分辨性能良好的診斷手段。因此發(fā)射光譜被廣泛地應(yīng)用于等離子體發(fā)光的診斷[14-15]。

具有相同對(duì)稱(chēng)性的不同結(jié)構(gòu)的斑圖之間的演化以及斑圖表現(xiàn)出的不同的宏觀特性，這些可能與所處的等離子體狀態(tài)有關(guān)。目前這方面的報(bào)道還很少。鑒于此，本工作首次通過(guò)增加外加電壓，先后得到了六邊形點(diǎn)陣斑圖、空心六邊形斑圖和蜂窩六邊形斑圖，三者均具有六邊形的對(duì)稱(chēng)性。這也是通過(guò)增加外加電壓，首次得到了具有相同對(duì)稱(chēng)性的3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖，觀察發(fā)現(xiàn)，3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的放電絲的排列方式、直徑和顏色等宏觀特性均是不同的，這說(shuō)明等離子體的激發(fā)狀態(tài)可能不同，即可能處于不同的等離子狀態(tài)。為此，采用發(fā)射光譜法，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的電子密度、電子激發(fā)溫度和分子振動(dòng)溫度等等離子體參量進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，不僅對(duì)深入研究斑圖的形成及其相互轉(zhuǎn)化具有重要價(jià)值，而且對(duì)于加快斑圖在材料處理、表面改性、污染物控制、等離子體光子晶體等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。將兩個(gè)直徑為70 mm的圓柱形容器充滿水作為水電極，每個(gè)容器都有一個(gè)金屬環(huán)與驅(qū)動(dòng)電源相連。在兩個(gè)相對(duì)放置的水電極之間放入一個(gè)氣隙厚度為2.1 mm、 邊長(zhǎng)為2.5 cm六邊形玻璃邊界作為放電氣隙，并將它們都放入氣體含量可調(diào)節(jié)的密閉反應(yīng)室中。氣壓范圍是10～100 kPa，驅(qū)動(dòng)電壓可通過(guò)高壓探頭(Tektronix P6015A 1000×)探測(cè)并通過(guò)示波器(Tektronix DPO 4010B)采集記錄下來(lái)。用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D7000)記錄3種不同結(jié)構(gòu)六邊形斑圖。氣體擊穿形成放電后發(fā)出的光先通過(guò)透鏡成像，再由光纖探頭導(dǎo)入光譜儀(ACTON ADVANCED SP 2750A，CCD：1 340×400 pixels)，由計(jì)算機(jī)采集分析后進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)使用的驅(qū)動(dòng)頻率為70 kHz，氣壓為40 kPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 不同電壓下的放電照片

隨著外加電壓的增加，放電依次形成六邊形點(diǎn)陣斑圖，空心六邊形斑圖，蜂窩六邊形斑圖，如圖2所示。3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的放電絲的排列方式、直徑和顏色等均不同，這說(shuō)明等離子體的激發(fā)狀態(tài)不同，即處于不同的等離子狀態(tài)。為了研究3種不同結(jié)構(gòu)斑圖之間的轉(zhuǎn)化，比較3種不同斑圖的等離子體狀態(tài)，采用發(fā)射光譜法對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的等離子體狀態(tài)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于研究不同結(jié)構(gòu)六邊形斑圖之間的演化具有重要意義。

圖2 不同電壓下的放電照片。(a)六邊形點(diǎn)陣斑圖；(b)空心六邊形斑圖；(c)蜂窩六邊形斑圖。

Fig.2 Images of different applied voltage. (a) Hexagon superlattice pattern. (b) Hollow hexagon pattern. (c) Honeycomb hexagon pattern.

3.2 電子密度

由文獻(xiàn)[16-17]可知，氬原子696.5 nm(2P2→1S5)譜線的展寬能夠反映電子密度的大小。因此，實(shí)驗(yàn)利用氬原子696.5 nm(2P2→1S5)譜線的展寬，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的電子密度進(jìn)行了研究。如圖3所示，隨著外加電壓的增加，譜線的左支重疊，右支向著短波的方向移動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，Ar Ⅰ發(fā)射譜線696.5 nm的展寬隨外加電壓的增加而逐漸變窄，如圖4所示。結(jié)果表明，隨著外加電壓的逐漸增加，電子密度是逐漸減小的。

圖3 3種不同斑圖在696.5 nm處的譜線

Fig.3 Profiles of the spectral line 696.5 nm of the three kinds of patterns

圖4 3種不同斑圖在696.5 nm處的譜線的線寬

Fig.4 Broadenings of spectral line 696.5 nm of the three kinds of patterns

3.3 電子激發(fā)溫度

采集氬原子763.2 nm(2P6→1S5)和772.1 nm(2P2→1S3)兩條譜線，如圖5所示。利用相對(duì)強(qiáng)度比法，得到了3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的電子激發(fā)溫度，如圖6所示, 原理見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著外加電壓的升高，電子激發(fā)溫度逐漸升高。六邊形點(diǎn)陣斑圖的電子激發(fā)溫度大約為12 000 K，空心六邊形斑圖的電子激發(fā)溫度大約為15 000 K，蜂窩六邊形斑圖的電子激發(fā)溫度大約為40 000 K。

圖5 3種不同斑圖在755～781 nm范圍的發(fā)射譜線

Fig.5 Emission spectra of three kinds of patterns in the range of 755-781 nm

圖6 3種不同斑圖的電子激發(fā)溫度

Fig.6 Electron excitation temperature of the three kinds of patterns

3.4 分子振動(dòng)溫度

實(shí)驗(yàn)中還選用300 G/mm的光柵，設(shè)定中心波長(zhǎng)為390 nm，在波長(zhǎng)360～420 nm的范圍內(nèi)，采集了氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的發(fā)射譜線，如圖7所示。通過(guò)對(duì)該組發(fā)射譜線的處理和分析，采用第二正帶系的兩組振動(dòng)序帶： Δν=-2(0-2，1-3，2-4)和Δν=-3(0-3，1-4，2-5)，計(jì)算出了3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖的分子振動(dòng)溫度[16-18]，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，隨著外加電壓的升高，分子振動(dòng)溫度逐漸升高。六邊形點(diǎn)陣斑圖的分子振動(dòng)溫度大約為1 900 K，空心六邊形斑圖的分子振動(dòng)溫度大約為2 150 K，蜂窩六邊形斑圖的分子振動(dòng)溫度大約為2 250 K。

圖7 3種不同斑圖在360～420 nm范圍的發(fā)射譜線

Fig.7 Emission spectra of the three kinds of patterns in the range of 360-420 nm

圖8 3種不同斑圖的分子振動(dòng)溫度

Fig.8 Molecular vibration temperature of the three kinds of patterns

綜上可知，隨著外加電壓的增加，放電依次形成六邊形點(diǎn)陣斑圖、空心六邊形斑圖、蜂窩六邊形斑圖。它們的電子密度逐漸減小，而電子激發(fā)溫度和分子振動(dòng)溫度卻逐漸升高。電子激發(fā)溫度和分子振動(dòng)溫度能夠反映電子能量，因此，隨著外加電壓的升高，電子能量逐漸增大。六邊形點(diǎn)陣斑圖電子密度大，放電絲明亮并且較大，在介質(zhì)表面沉積的壁電荷較多，放電絲之間的作用較強(qiáng)，因此放電絲之間的距離較大。隨著外加電壓的增加，電子密度逐漸變小，放電絲灰暗并且較小，在介質(zhì)表面沉積的壁電荷較少，放電絲之間的作用減弱。因此，放電絲需要重新排列，以達(dá)到新的平衡。隨著外加電壓的升高，氬原子的相對(duì)譜線強(qiáng)度升高，表明受激發(fā)的氬原子比例增多，斑圖的顏色逐漸變?yōu)榛野咨?。可?jiàn)，等離子體狀態(tài)的改變直接影響著斑圖的自組織。

4 結(jié) 論

在氬氣與空氣組成的混合氣體的介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)中，隨著外加電壓的增加，放電首先形成六邊形點(diǎn)陣斑圖，然后是空心六邊形斑圖，最后是蜂窩六邊形斑圖。采用發(fā)射光譜法，研究了具有相同對(duì)稱(chēng)性的3種不同結(jié)構(gòu)的六邊形斑圖演化過(guò)程的光譜特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著電壓的升高，六邊形點(diǎn)陣斑圖、空心六邊形斑圖和蜂窩六邊形斑圖的電子密度逐漸減小，而電子激發(fā)溫度和分子振動(dòng)溫度卻逐漸增大。因此，等離子體狀態(tài)的改變直接影響著斑圖的自組織。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，不僅對(duì)深入研究斑圖的形成及其相互轉(zhuǎn)化具有重要價(jià)值，而且對(duì)于加快斑圖在材料處理、表面改性、污染物控制、等離子體光子晶體等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也具有重要意義。

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馮建宇(1990-)，男，河北承德人，碩士研究生，2014年于河北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事非線性介質(zhì)阻擋放電斑圖動(dòng)力學(xué)的研究。

E-mail： fengjianyu2010@163.com

董麗芳(1963-)，女，河北保定人，教授，博士生導(dǎo)師，1994年于中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)、等離子體等方面的研究。

E-mail： donglf@hbu.edu.cn

Spectral Characteristics of Different Kinds of Hexagon Pattern in Evolutionary Process

FENG Jian-yu, DONG Li-fang*, WEI Ling-yan, HAO Fang, DU Tian, CUI Yi-qian

(CollegeofPhysicsScienceandTechnology,HebeiUniversity,Baoding071002,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:donglfhbu@163.com

The spectral characteristics of different kinds of hexagon pattern with the same symmetry in evolutionary process were studied in dielectric barrier discharge by optical emission spectrum. It is found that the discharge undergoes hexagon superlattice pattern, hollow hexagon pattern and honeycomb pattern with the increasing of the applied voltage. The electronic density, electron excitation temperature and molecular vibration temperature of the three kinds of patterns were investigated by the broadening of spectral line 696.5 nm, the relative intensity ratio method of spectral lines of Ar Ⅰ 763.2 nm (2P6→1S5) and Ar Ⅰ 772.1 nm (2P2→1S3) and the emission spectra of nitrogen band of second positive system (C3Πu→B3Πg), respectively. The results show that the electronic density of the hexagon superlattice pattern, hollow hexagon pattern and honeycomb pattern gradually decreases, while the electron excitation temperature and molecular vibration temperature of the three kinds of patterns gradually increase with the applied voltage increasing. It is found that the change of the plasma state has effect on the self-organization of the pattern.

dielectric barrier discharge; pattern; emission spectra; electronic density; electron excitation temperature; molecular vibration temperature

1000-7032(2016)09-1076-06

2016-04-16；

2016-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(11375051,11505044)； 河北省教育廳項(xiàng)目(LJRC011)資助

O461

A

10.3788/fgxb20163709.1076