介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中帶暈蜂窩六邊形發(fā)光斑圖

于廣林， 董麗芳， 竇亞亞, 孫浩洋, 米彥霖

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

1 引 言

斑圖是指在空間或時(shí)間上具有某種規(guī)律的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)，是一種非平衡態(tài)自組織現(xiàn)象。斑圖在自然界中廣泛存在，也存在于多種實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中。研究者們?cè)诓煌到y(tǒng)中都觀察到了斑圖，例如對(duì)流斑圖[1-2]、化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)斑圖[3-4]、非線性光學(xué)斑圖[5-6]以及介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)斑圖。介質(zhì)阻擋放電是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電,由于其裝置簡(jiǎn)單、操作方便且成本低，在眾多領(lǐng)域當(dāng)中被廣泛地應(yīng)用[7-13]。近年來，介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)因觀察到各種各樣的穩(wěn)定性較好且形成過程較快的發(fā)光斑圖而備受關(guān)注[14-15]。采用光學(xué)手段對(duì)介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)光斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。例如本實(shí)驗(yàn)小組在之前的工作中研究的新型超四邊形斑圖[16]、帶移動(dòng)放電絲的蜂窩斑圖[17]等。本實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)并研究了一種由中心點(diǎn)子結(jié)構(gòu)、暈子結(jié)構(gòu)和蜂窩框架子結(jié)構(gòu)組成的帶暈蜂窩六邊形斑圖。該斑圖的各個(gè)子結(jié)構(gòu)的亮度不同，表明這3套子結(jié)構(gòu)的放電機(jī)制不同。這與之前我們發(fā)現(xiàn)的由兩套子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的蜂窩六邊形斑圖是不一樣的[18]。在時(shí)間和空間上對(duì)斑圖結(jié)構(gòu)的研究主要有兩種方法[19]，一種是采用多通道的高速相機(jī)，可以對(duì)斑圖的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分脈沖拍攝，能夠直觀地記錄下斑圖的整體結(jié)構(gòu)。但是由于高速相機(jī)靈敏度較低,對(duì)微弱的放電進(jìn)行單次曝光很難得到其清晰的結(jié)構(gòu)。另一種是采用光電倍增管,光電倍增管是具有靈敏度極高和時(shí)間響應(yīng)超快等特性的光探測(cè)器件,它可以測(cè)量比較微弱的放電, 得到斑圖清晰的單次放電信號(hào)，并且可以人為選擇測(cè)量不同位置的放電絲的光信號(hào)。

本實(shí)驗(yàn)采用帶有3個(gè)通道的高速照相機(jī)和光電倍增管對(duì)帶暈蜂窩六邊形斑圖的時(shí)空結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。由于等離子體參量中的分子振動(dòng)溫度可以表現(xiàn)等離子體的基本宏觀特性[20]，本工作利用發(fā)射光譜法，根據(jù)氮分子譜線第二正帶系(C3Πu→B3Πg)計(jì)算得到六邊形中心點(diǎn)子結(jié)構(gòu)、暈子結(jié)構(gòu)和蜂窩框架子結(jié)構(gòu)的分子振動(dòng)溫度。眾所周知，壁電荷對(duì)介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中斑圖的形成具有十分重要的影響[21]，本文討論壁電荷對(duì)介質(zhì)阻擋放電中帶暈蜂窩六邊形斑圖的穩(wěn)定形成及其時(shí)空結(jié)構(gòu)的影響，豐富了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中斑圖的多樣性，對(duì)其他系統(tǒng)中斑圖的研究具有一定借鑒作用。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由一對(duì)平行放置的水電極、光譜儀、高壓電源、示波器組成。本實(shí)驗(yàn)采用的驅(qū)動(dòng)電源是正弦交流電源，其頻率為55 kHz，電壓峰值可調(diào)范圍為0～13 kV。水電極的內(nèi)徑是70 mm，其兩端使用1.6 mm厚的玻璃封住，中間放有邊長為3 cm、厚度為 2.4 mm的特制的正四邊形放電氣隙。將這對(duì)帶有四邊形放電氣隙的裝置放于可調(diào)節(jié)氬氣和空氣比例以及氣壓的密閉反應(yīng)室中。在氬氣含量為25%、氣壓為20.27 kPa的條件下，在升壓過程中，產(chǎn)生如圖2所示斑圖。使用高壓探頭測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中水電極兩端的電壓。使用數(shù)碼照相機(jī)(Canon Powershot G16)記錄實(shí)驗(yàn)中得到的斑圖圖像。使用數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4010B)存儲(chǔ)信號(hào)。使用光譜儀(ACYON SP-58，CCD:1 340×400 Pixels，光柵300,800,2 400 G·mm-1，分辨率0.005 nm)的光纖探頭接收中心點(diǎn)、暈和蜂窩框架的光信號(hào)并連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集與分析處理。設(shè)置高速相機(jī)各通道的延遲時(shí)間、曝光時(shí)間并由外加方波信號(hào)觸發(fā)，來記錄斑圖在不同放電脈沖下的瞬態(tài)放電過程，進(jìn)而分析斑圖在納秒時(shí)間尺度的時(shí)空結(jié)構(gòu)。

圖1 放電裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 斑圖演化序列

圖2給出斑圖隨驅(qū)動(dòng)電壓升高的演化過程。由圖2可見當(dāng)水電極兩端電壓升到2.72 kV時(shí)，出現(xiàn)隨機(jī)放電絲；當(dāng)電壓升高到3.28 kV時(shí)，出現(xiàn)單元較少的帶暈蜂窩六邊形斑圖；當(dāng)電壓繼續(xù)升高到4.38 kV時(shí)，出現(xiàn)帶暈蜂窩六邊形斑圖(該斑圖為本文中我們所研究的斑圖)；當(dāng)電壓升高到6.56 kV時(shí)，出現(xiàn)四邊形斑圖。圖3(a)給出了本實(shí)驗(yàn)研究的帶暈蜂窩六邊形斑圖。為了方便觀察，我們?cè)趫D3(b)中給出放大后的圖3(a)中一個(gè)單元(白色框架內(nèi))被放大5倍后的斑圖。從圖中可以看出斑圖由中心點(diǎn)(A)、暈(B)和蜂窩框架(C)組成。由圖3(b)可以看出帶暈蜂窩六邊形斑圖中中心點(diǎn)、暈、蜂窩框架在亮度上是不同的，具體為中心點(diǎn)最亮，暈次之，蜂窩結(jié)構(gòu)最暗，這意味著這3套子結(jié)構(gòu)的放電機(jī)制和等離子體參數(shù)可能是不同的。

圖2 隨電壓升高帶暈蜂窩六邊形斑圖的演化過程。(a)隨機(jī)放電絲；(b)較少單元的帶暈蜂窩六邊形斑圖；(c)帶暈蜂窩六邊形斑圖；(d)四邊形斑圖。其他實(shí)驗(yàn)參量：放電間隙d=2.4 mm，氣壓P= 20.27 kPa，氬氣含量χ=25%，電源頻率f=55 kHz，曝光時(shí)間t=25 ms。

圖3 (a)帶暈蜂窩六邊形斑圖；(b)放大5倍后的部分帶暈蜂窩六邊形斑圖。

3.2 利用高速相機(jī)和光電倍增管對(duì)斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行診斷

采用具有3個(gè)通道的高速照相機(jī)對(duì)帶暈蜂窩六邊形斑圖進(jìn)行分脈沖瞬時(shí)拍攝得到一系列的照片,這樣可以在瞬間同時(shí)記錄半周期內(nèi)3個(gè)電流脈沖所對(duì)應(yīng)的子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)：對(duì)于光強(qiáng)較弱的子結(jié)構(gòu)，從單次曝光的照片中不能觀察到其完整的結(jié)構(gòu)。由于帶暈蜂窩六邊形斑圖具有很好的穩(wěn)定性，所以利用高速照相機(jī)的loop模式對(duì)同一個(gè)電流脈沖進(jìn)行多次疊加拍攝。圖4給出了拍攝曝光時(shí)間Δt1、Δt2、Δt3所對(duì)應(yīng)的電流脈沖。圖5(a)～(c)對(duì)應(yīng)著在曝光時(shí)間分別為340，1 600，1 780 ns的條件下拍攝的圖片，圖5(d)是將圖5(a)～(c)疊加后得到的圖片，loop次數(shù)為50次。從圖4中可以看出，Δt1所對(duì)應(yīng)的電流脈沖在電壓下降沿放電，Δt2、Δt3所對(duì)應(yīng)的電流脈沖在電壓上升沿放電。這與我們之前研究的中心點(diǎn)在上升沿放電的普通蜂窩六邊形是不同的[18]。由圖5(a)可以看出，Δt1時(shí)刻產(chǎn)生的放電絲組成了完整的六邊形結(jié)構(gòu)，Δt2時(shí)刻產(chǎn)生的斑圖為暈結(jié)構(gòu)的斑圖，Δt3時(shí)刻放電絲構(gòu)成了完整的蜂窩框架結(jié)構(gòu)。由圖5(d)可以看出, Δt1時(shí)刻所產(chǎn)生的中心點(diǎn)被Δt2時(shí)刻產(chǎn)生的暈所包圍，且中心點(diǎn)所在位置正好是Δt2時(shí)刻產(chǎn)生的暈的中心，而中心點(diǎn)和暈組成的斑圖結(jié)構(gòu)正好嵌套在蜂窩斑圖結(jié)構(gòu)的中心。在時(shí)間順序上，暈和蜂窩框架在電壓上升沿放電，中心點(diǎn)在電壓下降沿放電，并且在每個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓半周期內(nèi)都遵循著暈-蜂窩框架-中心點(diǎn)這樣的放電順序。

為進(jìn)一步研究帶暈蜂窩六邊形斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)，我們采用光電倍增管對(duì)中心點(diǎn)、暈和蜂窩框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如圖6所示，其中A為中心點(diǎn)放電信號(hào)，結(jié)合高速照相機(jī)的討論結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)都在第一個(gè)電流脈沖放電，而圖6中A在第二段脈沖信號(hào)的出現(xiàn)是由于暈的范圍包含中心點(diǎn)。B為一部分暈的放電信號(hào)(由于測(cè)量過程中只能將暈的部分信號(hào)放入光電倍增管)，可以發(fā)現(xiàn)暈在中心點(diǎn)周圍隨機(jī)放電，并不是同一位置的單次放電，圖3中的暈(B)是隨機(jī)放電經(jīng)過如圖4中Δt2時(shí)間的累積形成的。蜂窩框架的放電在第3段電流脈沖中產(chǎn)生，這跟高速相機(jī)所得到的結(jié)果相符合，并與之前所研究的形成機(jī)制相同[18]。

圖4 電流電壓波形圖

圖5 曝光時(shí)間分別為340(a)，1 600(b)，1 780(c) ns的條件下拍攝的圖片以及這3張圖片的疊加(d)。

圖6 帶暈蜂窩六邊形斑圖光信號(hào)。U為電壓曲線；I為電流曲線;A為中心點(diǎn)；B為暈結(jié)構(gòu)。

3.3 對(duì)等離子體參量進(jìn)行研究

本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)射光譜法，利用氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg) 中的(0～2，1～3，2～4)和(0～3，1～4，2～5)兩組振動(dòng)序帶來計(jì)算分子振動(dòng)溫度，光柵和中心波長分別設(shè)定為300 G/mm、390 nm。結(jié)果如圖 7所示。A代表中心點(diǎn)，B代表暈，C代表蜂窩框架?？梢钥闯鲞@3套子結(jié)構(gòu)的分子振動(dòng)溫度是不同的，中心點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度為2 632 K，暈的分子振動(dòng)溫度為2 679 K，蜂窩框架的分子振動(dòng)溫度為2 720 K。

圖7 不同位置處的的發(fā)射譜線

3.4 壁電荷對(duì)放電的影響

本實(shí)驗(yàn)中的帶暈蜂窩六邊形斑圖，暈結(jié)構(gòu)與蜂窩框架結(jié)構(gòu)在電壓上升沿放電，中心點(diǎn)結(jié)構(gòu)在電壓下降沿放電。我們用電流脈沖積分法計(jì)算了三種子結(jié)構(gòu)斑圖的壁電荷量[22]，結(jié)果如下：?jiǎn)蝹€(gè)暈處的壁電荷為0.69×10-9C,蜂窩框架單邊壁電荷為0.22×10-9C，每個(gè)中心點(diǎn)的壁電荷為0.17×10-9C。在電壓上升過程中，壁電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相反，暈處積累的壁電荷要比蜂窩框架處的多。外加電壓達(dá)到最大值后開始下降，當(dāng)下降到一定程度時(shí)，暈處的壁電荷形成的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，暈處兩個(gè)電極間的凈電場(chǎng)強(qiáng)度(與外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反)大于氣體擊穿閾值，產(chǎn)生放電，形成中心點(diǎn)。放電過程中只消耗暈處的一部分壁電荷，暈處剩余壁電荷約為0.52×10-9C,仍高于蜂窩框架處的壁電荷。在外加電壓反向后的電壓上升沿，上半個(gè)周期積累的壁電荷電場(chǎng)與外加電壓電場(chǎng)方向相同，所以暈處壁電荷的促進(jìn)作用較大，暈先放電，蜂窩框架后放電。在每一個(gè)外加電壓半周期內(nèi)，重復(fù)以上過程，形成了帶暈蜂窩六邊形斑圖。

4 結(jié) 論

利用高速照相機(jī)和光電倍增管對(duì)帶暈蜂窩六邊形斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。帶暈蜂窩六邊形斑圖由3套子結(jié)構(gòu)相互嵌套組成：在電壓上升沿放電的暈和蜂窩框架結(jié)構(gòu)及在電壓下降沿放電的中心點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在每個(gè)放電周期內(nèi)放電順序?yàn)椋簳?蜂窩框架-中心點(diǎn)?？臻g上中心點(diǎn)嵌套于暈的中心處，暈和中心點(diǎn)又嵌套在蜂窩框架的中心處。暈的放電并非同時(shí)放電，具有局部隨機(jī)性。帶暈蜂窩六邊形的3套子結(jié)構(gòu)的分子振動(dòng)溫度不同，說明不同結(jié)構(gòu)的等離子體狀態(tài)是不同的。壁電荷對(duì)帶暈蜂窩六邊形的時(shí)空結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)重要的作用。本文對(duì)其他系統(tǒng)中斑圖的研究具有一定借鑒作用。