介質阻擋放電中超四邊斑圖沿面放電的光譜研究

牛雪姣，董麗芳，劉 瑩，王 謙，馮建宇

河北大學物理科學與技術學院，河北 保定 071002

介質阻擋放電中超四邊斑圖沿面放電的光譜研究

牛雪姣，董麗芳*，劉 瑩，王 謙，馮建宇

河北大學物理科學與技術學院，河北 保定 071002

利用水電極介質阻擋放電裝置，在氬氣和空氣的混合氣體中，首次觀察到了超四邊斑圖沿面放電，它是由中心點和暗點組成的。通過觀察普通相機的斑圖照片，可以發(fā)現(xiàn)中心點位于周圍四個暗點的中心處。利用高速錄像機對斑圖進行短曝光拍攝，觀察發(fā)現(xiàn)中心點對應體放電，暗點對應沿面放電，暗點由這些沿面放電形成。中心點和暗點的亮度有所不同，這說明中心點和暗點的等離子體狀態(tài)可能不同。采用發(fā)射光譜法，研究了超四邊斑圖沿面放電的的中心點和暗點的等離子體參量隨氬氣含量的變化趨勢。利用氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)發(fā)射譜線，計算得出了中心點和暗點的分子振動溫度； 然后通過氬原子696.57nm(2P2→1S5)譜線的展寬，研究了中心點和暗點的電子密度。實驗結果表明： 在相同氬氣含量下，暗點的分子振動溫度和電子密度均高于中心點的相應等離子體參量； 在其他實驗條件不變的情況下，隨著氬氣含量從90%增大到99.9%，中心點和暗點的分子振動溫度和電子密度均逐漸增大。結果表明中心點和暗點的等離子狀態(tài)不同，說明二者的放電機制可能不同。

介質阻擋放電； 沿面放電； 分子振動溫度； 電子密度

引 言

介質阻擋放電(無聲放電)，是一種低溫等離子體氣體放電。它的主要部分是兩個平行放置的水電極。通過在水電極兩端加上交流電壓驅動，當電壓可以達到氣體放電的擊穿閾值時，這樣兩極板間的氣體被擊穿后形成放電等離子體。介質阻擋放電可以在大氣壓或者近大氣壓條件下進行，并且裝置簡單、成本低及操作便捷等特點，廣泛應用于眾多工業(yè)領域中[1-5]。介質阻擋放電是一個非線性系統(tǒng)，可以自組織的形成多種多樣的斑圖，比如： 四邊形，六邊形，白眼，蜂窩等[6-8]。介質阻擋放電的放電形式可分為兩類： 體放電(VD)和沿面放電(SD)。對于這兩種放電的研究已有很多被報道，但對它們的放電性能的研究較少[9-11]。最近研究發(fā)現(xiàn)了一種特殊形狀的斑圖，它由中心點和暗點構成，并且每個中心點位于周圍四個暗點的中心，在以往的介質阻擋放電研究中沒有報道過。為了進一步的了解它的放電特性，采用了發(fā)射光譜法，對中心點和暗點的等離子體參量隨氬氣含量的變化進行了研究。其實驗結果表明，體放電和沿面放電屬于不同的放電機制，這對于研究暗點的形成機制有重要的價值。

1 實驗部分

裝置如圖1所示，主要由水電極、高壓電源、光譜儀、數(shù)字示波器組成。水電極由兩個端面對稱且裝滿水的圓柱形玻璃管組成，兩側用石英玻璃封住。在容器兩端將金屬環(huán)浸入水中，各從一端引出頻率為54kHz的高壓交流電源兩極相連。將水電極平行放置在充滿氬氣和空氣混合物的真空密閉室里，中間放一塊邊長L為4 cm, 厚度d為4.1 mm的四邊形邊界。用數(shù)碼相機(Canon Powershot G16)記錄放電照片。利用高壓探頭(Tektronix P6015A)測量外加電壓，并通過數(shù)字示波器(Tektronix DPO4104B)采集和存儲。通過透鏡放大成像，利用光纖探頭將中心點和暗點的光分別導入到光譜儀(ACTON SP-2758, CCD:1340×400Pixels, 光柵300, 800, 2 400 G·mm-1, 分辨率0.005 nm)，控制計算機采集和存儲光譜。用高速錄像機(pco. dimax 9000000207)拍攝短曝光時間斑圖照片。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 結果與討論

在氬氣和空氣混合的氣體介質阻擋放電中，觀察到斑圖不同位置出現(xiàn)兩種亮暗不同的狀態(tài)，如圖2所示。由普通相機拍攝的圖2(a)可知，斑圖有兩部分組成： 中心點和它周圍的四個暗點。但是它們的亮度不同，表現(xiàn)為： 中心點(A)最亮，暗點(B)最弱。由之前研究的斑圖可知，暗點一般是由放電絲組成的。為了進一步研究本斑圖中暗點的組成，故利用高速錄像機對斑圖進行短曝光拍攝，如圖2(b)所示。觀察發(fā)現(xiàn)，放電由兩部分組成： 體放電(VD)和沿面放電(SD)。中心點對應體放電，暗點對應沿面放電，暗點是由中心點周圍的沿面放電形成。根據(jù)存在亮暗的差異，初步推斷它們可能處于不同的等離子狀態(tài)，即它們的等離子體參數(shù)是不同的。因此，采用發(fā)射光譜法，對其等離子體參量進行測量，以便進一步研究其放電機制。

Fig.2 (a) the image of square super-lattice pattern with central spot and dim spot. A represents the central spots and B represents the dim spots. Image taken by an ordinary camera with exposure time t=25 ms. (b) Image of the pattern with 20 μs exposure time taken by high speed video camera. Experimental parameters: gas pressurep=30.6 kPa, air concentrationφ=97%, driven frequencyf=54 kHz, gas gapd=4.1 mm

為了得到氮分子振動溫度，選擇300 G·mm-1的光柵，采集了氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)波長范圍在360～420nm之間的發(fā)射譜線，如圖3所示。從圖中可得，中心點的強度高于暗點的。采用第二正帶系的兩組振動序帶： (0-2，1-3，2-4)和(0-3，1-4，2-5)[11]，計算得出了超四邊斑圖的中心點和暗點的分子振動溫度，如圖4所示。當氬氣含量相同時，暗點的分子振動溫度要高于中心點的。在其他實驗條件不變的情況下，隨著氬氣含量由90%增大至99.9%，中心點和暗點的分子振動溫度都隨著氬氣含量的增加而增大。中心點的分子振動溫度范圍是2 200～2 700K，暗點的分子振動溫度范圍是2 300～3 000K。

Fig.3 Emission spectra in the range of 360～420 nm

Fig.4 Variation of molecular vibration temperature of two kinds of spots as a function of argon concentration

表征等離子體狀態(tài)的另一個重要的參量是電子密度。選用2 400 G·nm-1的光柵，在693～700 nm范圍內(nèi)采集了中心點和暗點的譜線，如圖5所示。由圖可知，在相同的實驗條件下，暗點的譜線展寬高于中心點的。通過改變氬氣含量，研究了中心點和暗點的譜線線寬隨氬氣含量的變化，其結果圖6所示。譜線的展寬可反映電子密度大小[12]，譜線展寬越大，表明其電子密度越大。所以由實驗結果可知，在相同含量的條件下，暗點的電子密度高于中心點，隨著氬氣從90%增大至99.9%，中心點和暗點的電子密度隨著氬氣含量的增加而增大。

Fig.6 Variation of broadenings of spectral line 696.5 nm of two kinds of spots as a function of argon concentration

3 結 論

采用水電極介質阻擋放電裝置，在空氣和氬氣的混合氣體中，觀察到了超四邊斑圖的沿面放電，它是由中心點和位于其周圍四個暗點組成，并且中心點位于四個暗點的中心。利用高速錄像機對斑圖進行短曝光拍攝，發(fā)現(xiàn)中心點存在沿面放電，暗點是由中心點的沿面放電形成。采用發(fā)射光譜法，研究了中心點和暗點的等離子體參量隨氬氣的變化關系。實驗發(fā)現(xiàn)： 當氬氣含量相同時，暗點的分子振動溫度和電子密度均高于中心點相應的等離子體參量； 隨著氬氣含量從90%增大到99.9%，中心點和暗點的分子振動溫度和電子密度均是逐漸增大的。實驗結果對更加深入研究體放電和沿面放電之間的關系具有重要意義。

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*Corresponding author

Study on Square Super-Lattice Pattern with Surface Discharge in Dielectric Barrier Discharge by Optical Emission Spectra

NIU Xue-jiao, DONG Li-fang*, LIU Ying, WANG Qian，F(xiàn)ENG Jian-yu

College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China

Square super-lattice pattern with surface discharge consisting of central spots and dim spots is firstly observed in the mixture of argon and air by using a dielectric barrier discharge device with water electrodes. By observing the image, it is found that the central spot is located at the centriod of its surrounding four dim spots. The short-exposure image recorded by a high speed video camera shows that the dim spot results from the surface discharges (SDs). The brightness of the central spot and is quite different from that of the dim spot, which indicates that the plasma states of the central spot and the dim spot may be differentiated. The optical emission spectrum method is used to further study the several plasma parameters of the central spot and the dim spot in different argon content. The emission spectra of the N2second positive band (C3Πu→B3Πg)aremeasured,fromwhichthemoleculevibrationtemperaturesofthecentralspotandthedimspotarecalculatedrespectively.Thebroadeningofspectralline696.57nm(2P2→1S5) is used to study the electron densities of the central spot and the dim spot. It is found that the molecule vibration temperature and electron density of the dim spot are higher than those of the central spot in the same argon content. The molecule vibration temperature and electron density of the central spot and the dim spot increase with the argon content increasing from 90% to 99.9%. The surface discharge induced by the volume discharge (VD) has the determinative effect on the formation of the dim spot. The experimental results above play an important role in studying the formation mechanism of surface discharge of square super-lattice pattern with surface discharge. In addition, the studies exert an influence on the application of surface discharge and volume discharge in different fields.

Dielectric barrier discharge; Molecule vibration temperature; Electron density; Surface discharge

Jan. 30, 2015; accepted May 6, 2015)

2015-01-30，

2015-05-06

國家自然科學基金項目(11375051), 河北省科技廳重點項目(11967135D)和河北省教育廳重點項目(ZD2010140)資助

牛雪姣, 女, 1988年生, 河北大學物理科學與技術學院碩士研究生 e-mail: nxj1228@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: donglfhbu@163.com

O461.2； O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0368-04