介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中典型非線性斑圖的實現(xiàn)及特性研究

寇倩 劉偉波 武洪雨

摘 要：斑圖放電是介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種典型非線性放電現(xiàn)象。文章采用特殊設(shè)計的氧化銦錫（ITO）電極裝置，在空氣和氬氣的混合氣體中通過介質(zhì)阻擋放電得到了兩種典型的斑圖形式：超四邊形斑圖和條紋斑圖。利用示波器獲得了兩種斑圖的電流電壓波形圖，并分析了各自的放電特性。

關(guān)鍵詞：介質(zhì)阻擋放電；非線性斑圖；放電電極；放電特性

中圖分類號：O461 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0037-02

Abstract： Pattern discharge is a typical nonlinear discharge phenomenon in dielectric barrier discharge （DBD） system. using a specially designed indium tin oxide （ITO） electrode device， two typical patterns， hyperquadrilateral pattern and stripe pattern， were obtained by dielectric barrier discharge （DBD） in the mixture of air and argon gas. The current and voltage waveforms of the two patterns are obtained by means of oscilloscope， and the discharge characteristics of the two patterns are analyzed.

Keywords： dielectric barrier discharge； nonlinear pattern； discharge electrode； discharge characteristics

1 概述

介質(zhì)阻擋放電是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡氣體放電[1]，它除了在工業(yè)中應(yīng)用廣泛外（比如應(yīng)用在臭氧制備、聚合物表面改性、殺菌消毒、污染控制等領(lǐng)域），還作為一種典型的非線性動力學系統(tǒng)，存在著豐富的時空非線性行為[2]。當外加交流電壓足夠高時，電極間的氣體即可被擊穿，產(chǎn)生無數(shù)條微放電通道，從而形成放電。如果放電通道經(jīng)過自組織形成具有一定規(guī)律的幾何圖形，即被稱為斑圖放電。斑圖放電屬于典型的非線性行為。

由于介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中產(chǎn)生的斑圖類型多，而且斑圖本身能夠發(fā)光，可以通過電學方法和光學方法方便的研究斑圖的性質(zhì)，因此介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)是當前研究非線性斑圖現(xiàn)象最為熱門的系統(tǒng)。研究斑圖放電現(xiàn)象需要用到透明的放電電極，國內(nèi)的董麗芳小組采用水電極，觀察到了四邊形、六邊形、圓環(huán)等不同形狀的斑圖放電類型，并利用各種電學光學手段，研究了斑圖的放電特性和非線性特征[3][4]。本文中我們將采用特殊設(shè)計的氧化銦錫（ITO）電極，在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中產(chǎn)生斑圖，并利用示波器分析它的放電特征。

2 實驗系統(tǒng)

2.1 ITO電極設(shè)計

放電電極是介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的核心部分。由于要透過放電電極觀測并研究放電斑圖的樣貌及性質(zhì)，需要使兩個放電電極中的至少一個為透明，并允許發(fā)光斑圖發(fā)出的光能夠大部分透過。圖1給出了我們設(shè)計的ITO電極的結(jié)構(gòu)示意圖，包括上電極、上層介質(zhì)板、下層介質(zhì)板、下電極。其中上電極采用厚度為0.5mm、邊長為60mm的透明的正方形ITO導電膜，上層介質(zhì)板采用厚度為1.5mm、邊長為60mm的正方形石英玻璃板，下層介質(zhì)板采用厚度為2mm、邊長為60mm的正方形石英玻璃板，下電極采用厚度為1mm、邊長為40mm的正方形銅片。上電極沉積在上層介質(zhì)板上，下層介質(zhì)板與下電極之間通過硅膠粘連在一起，上層介質(zhì)板與下層介質(zhì)板之間留有縫隙作為放電區(qū)域。上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板平行放置，其間距可以進行調(diào)節(jié)。由于上電極及上層介質(zhì)板都采用透明的材料設(shè)計，能夠在上電極的上方方便的觀測產(chǎn)生的發(fā)光斑圖，因此該設(shè)計可以利用光學方法方便的研究所產(chǎn)生發(fā)光斑圖的性質(zhì)。

2.2 實驗系統(tǒng)圖

實驗系統(tǒng)主要包括ITO電極、密閉的反應(yīng)容器、高壓電源、示波器和數(shù)碼相機，如圖2所示。ITO電極放于有機玻璃制成的密閉反應(yīng)容器中，可以在密閉容器中實現(xiàn)對氣壓、氣體含量等實驗條件的調(diào)節(jié)和改變。當高壓電源的電壓升高到一定值時，放電可以在圖中的放電區(qū)域內(nèi)發(fā)生。由于ITO電極及反應(yīng)容器都是透明的，介質(zhì)阻擋放電發(fā)出的光可以透射出來，其放電照片可以通過數(shù)碼相機獲得。示波器用來獲得放電的電流電壓波形圖。

3 實驗現(xiàn)象及討論

由于斑圖是一種典型的非線性現(xiàn)象，它的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化與實驗條件密切相關(guān)[5]。通過改變放電條件，可以實現(xiàn)不同種類的斑圖放電形式。文中給出了兩種典型的斑圖：超四邊形斑圖和條紋斑圖，并簡單分析各自的放電特性。

3.1 超四邊形斑圖

超四邊形斑圖是由大點和小點構(gòu)成的兩套四邊形子結(jié)構(gòu)相互嵌套而成的超點陣斑圖形式。當放電條件為：上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板間距為2mm，放電區(qū)域為邊長25mm的正方形，放電氣體為氬氣和空氣混合氣體，其中氬氣含量為97%，氣體壓強為1atm，高壓交流電源電壓值為5.1kV，放電頻率為52kHz，可產(chǎn)生超四邊形斑圖。圖3給出了超四邊形斑圖的放電照片及用示波器測量出的電流電壓波形圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，一個電壓半周期（即對應(yīng)電壓脈沖圖中的半個周期）中有2個明顯的電流脈沖，還有一些包絡(luò)。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，其中1個電流脈沖和包絡(luò)出現(xiàn)在電壓的上升沿，另1個電流脈沖出現(xiàn)在電壓下降沿。

3.2 條紋斑圖

當放電條件為：上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板間距為1.8mm，放電區(qū)域為邊長30mm的正方形，放電氣體為氬氣和空氣混合氣體，其中氬氣含量為95%，氣體壓強為0.8atm，高壓交流電源電壓值為4.9kV，放電頻率為53.5kHz，可產(chǎn)生條紋狀的斑圖。圖4是條紋斑圖的放電照片及用示波器測量出的對應(yīng)的電流電壓波形圖。可以發(fā)現(xiàn)，一個電壓半周期中會出現(xiàn)3個明顯的電流脈沖，其中2個出現(xiàn)在電壓上升沿（前面1個電流強度大，后面1個電流強度?。?，另外1個出現(xiàn)在電壓下降沿。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于ITO電極的介質(zhì)阻擋放電裝置，在空氣和氬氣的混合氣體中通過氣體放電得到了兩種典型的斑圖形式：超四邊形斑圖和條紋斑圖。并利用示波器分析了斑圖的基本放電特性。研究結(jié)果對理解介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)的非線性特點，揭示斑圖的非線性規(guī)律都有一定的意義。

參考文獻：

[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（01）：1-11.

[2]張佼.大氣壓介質(zhì)阻擋放電中的時空非線性行為模擬研究[D].大連理工大學，2014.

[3]劉偉波，董麗芳.介質(zhì)阻擋放電中同心圓環(huán)斑圖的產(chǎn)生機理[J].物理學報，2015，64（24）：266-272.

[4]董麗芳，張新普，張超，等.采用高速照相機研究介質(zhì)阻擋放電超四邊形斑圖的時空結(jié)構(gòu)[J].高電壓技術(shù)，2014，40（04）：1229-1234.

[5]歐陽頎.非線性科學與斑圖動力學導論（第一版）[M].北京：北京大學出版社，2010.