介質(zhì)阻擋放電中白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖

郭麗婷， 董麗芳， 王朝陽， 孫浩洋， 于廣林， 李彩霞， 范偉麗

(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

介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge，DBD)是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電[1-4]。介質(zhì)阻擋放電不僅具有裝置操作方便、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，而且還可以在大氣壓或者近大氣壓條件下工作，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[5-7]。介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)作為一種非線性系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中產(chǎn)生了各種各樣的非線性斑圖[8-11]。

斑圖是宏觀上具有周期規(guī)律性的結(jié)構(gòu)，是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象，廣泛存在于自然界和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如動(dòng)物體表花紋、法拉第系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)、介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)[12-15]等。DBD斑圖是等離子體微放電通道的周期性排列[16-18],在DBD系統(tǒng)內(nèi)獲得了各種類型的斑圖，如四邊形、超點(diǎn)陣四邊形、六邊形、超點(diǎn)陣六邊形、蜂窩六邊形斑圖等，但對(duì)于同心圓環(huán)的報(bào)道相對(duì)比較少。2003年，Purwins在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了具有反演特性的同心圓環(huán)斑圖[19]；2011年，Liu等在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了隨著外加電壓的增加，圓環(huán)數(shù)目發(fā)生變化的疏密點(diǎn)同心圓環(huán)[20]；2016年，F(xiàn)eng等在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了同心圓環(huán)斑圖，通過高速照相機(jī)研究斑圖的時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)該斑圖由同心圓環(huán)、同心蜂窩框架和同心點(diǎn)陣三套子結(jié)構(gòu)嵌套形成[21]。

近些年來白眼斑圖和黑眼斑圖作為一種復(fù)雜的斑圖受到研究者們的廣泛關(guān)注，Yang等觀察到了黑眼斑圖并利用反應(yīng)擴(kuò)散方程模擬出了白眼斑圖。黑眼斑圖的中心呈黑色，周圍被白環(huán)圍繞，是由兩套共振六邊形嵌套形成的；而白眼斑圖是中心呈白色,周圍被黑環(huán)和白環(huán)圍繞的一種結(jié)構(gòu)[22]。Zhao等研究了白眼六邊形斑圖，發(fā)現(xiàn)它是由點(diǎn)、環(huán)、暈三套子結(jié)構(gòu)組成[23]。本工作發(fā)現(xiàn)了由點(diǎn)陣圓環(huán)和白眼圓環(huán)嵌套形成的白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖。

本實(shí)驗(yàn)首次在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖。通過研究該斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)該斑圖由三套子結(jié)構(gòu)嵌套而成，分別是點(diǎn)陣圓環(huán)、白眼中心點(diǎn)圓環(huán)、白眼暈圓環(huán)。使用高速照相機(jī)對(duì)斑圖進(jìn)行分脈沖拍攝研究斑圖的時(shí)空結(jié)構(gòu)；使用高速錄像機(jī)研究斑圖在短曝光時(shí)間內(nèi)的微觀放電特性，發(fā)現(xiàn)每個(gè)體放電都伴隨沿面放電；使用光電倍增光對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)間相關(guān)性的測(cè)量。該結(jié)果不僅補(bǔ)充了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中斑圖的類型，而且推動(dòng)了壁電荷理論對(duì)斑圖形成的解釋。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。兩個(gè)浸有銅圓環(huán)的圓柱，在其中注入水，兩端用玻璃板密封，作為水電極。兩個(gè)水電極中的銅圓環(huán)分別連接高壓電源的兩極，將水電極平行放置在可視的密閉容器內(nèi)。密閉容器連接真空泵和氬氣罐，通過調(diào)控氬氣和空氣的比例以及容器內(nèi)的壓強(qiáng)來調(diào)控斑圖的變化。本實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)水電極之間放入了一個(gè)半徑R=1.55 cm、厚度T=2.6 mm的圓形邊界玻璃片,作為放電介質(zhì)。密閉容器內(nèi)氬氣含量為84.85%，壓強(qiáng)為33.44 kPa。通過改變外加電壓得到了如圖2所示的演化序列。在密閉容器外的可視窗口處，用數(shù)碼相機(jī)(Canon PowershotG16)拍攝斑圖的演化序列，并用數(shù)字示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz)記錄電流-電壓波形情況。用高速照相機(jī)(HSFC Pro,3channels)分脈沖拍攝瞬時(shí)照片研究斑圖的時(shí)空結(jié)構(gòu)。將光電倍增PMT(RCA7625)采集的光信號(hào)輸入到示波器記錄并存儲(chǔ)來研究不同結(jié)構(gòu)上放電絲的時(shí)間相關(guān)性。用高速錄像機(jī)研究了斑圖在短曝光時(shí)間內(nèi)的微觀放電行為。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

圖2是本實(shí)驗(yàn)獲得的白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖的演化序列。當(dāng)外加電壓為1.92 kV時(shí)，氣體被擊穿出現(xiàn)隨機(jī)放電絲,如圖2(a)；增加電壓至2.32 kV出現(xiàn)同心圓環(huán)，如圖2(b)；當(dāng)電壓加到3.20 kV時(shí)，出現(xiàn)了本文研究的白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖，如圖2(c)所示，在該斑圖中，從中心開始計(jì)數(shù)，用O表示奇數(shù)圈圓環(huán)中的放電絲，E表示偶數(shù)圈白眼中心點(diǎn)放電絲，H表示白眼暈；當(dāng)電壓升到4.16 kV時(shí)，斑圖變成混沌態(tài)，如圖2(d)所示。

圖2 隨外加電壓增加斑圖的演化序列。(a)隨機(jī)放電絲，V=1.92 kV;(b)同心圓環(huán)，V=2.32 kV;(c)白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖，V=3.20 kV;(d)混沌態(tài),V=4.16 kV。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)：d=2.6 mm,χ=84.85%,P=33.44 kPa,f=53 kHz。

Fig.2 Pattern evolution with the increase of the applied voltage. (a) Random filaments,V=1.92 kV. (b) Concentric ring,V=2.32 kV. (c) White eyes superlattice concentric ring luminescent pattern,V=3.20 kV. (f) Unsteady pattern,V=4.16 kV. Experiment parameters:d=2.6 mm,χ=84.85%,P=33.44 kPa,f=53 kHz.

為了進(jìn)一步研究該斑圖的時(shí)空結(jié)構(gòu)，使用多通道高速照相機(jī)對(duì)斑圖進(jìn)行分脈沖拍攝，如圖3所示。圖3(a)是半個(gè)周期內(nèi)的電流電壓脈沖圖；圖3(b)～(d)是高速照相機(jī)分脈沖拍攝的疊加50個(gè)周期染色后的圖片，3個(gè)電流脈沖的曝光時(shí)間分別是Δt1=1 010 ns,Δt2=1 950 ns,Δt3=670 ns；圖3(e)是前3個(gè)脈沖的疊加。從圖3(b)～(d)可得知放電絲O首先在電壓上升沿的電流脈沖段Δt1處放電，接著白眼暈H在電壓上升沿的電流包絡(luò)Δt2處放電。放電絲E在下降沿電流脈沖段Δt3處放電。從圖3(d)中看到，除了放電絲E在Δt3脈沖段放電還有部分放電絲O在此放電，表明該斑圖的放電順序是:放電絲O-白眼暈H-放電絲E和部分放電絲O。另外還可以發(fā)現(xiàn)放電絲E和放電絲O、暈H的放電形式均為體放電。對(duì)比圖3(c)和圖3(e)中黃色方框圈出的部分，可以發(fā)現(xiàn)部分放電絲O與暈H重合。

圖3 高速照相機(jī)曝光示意圖及拍攝照片的染色疊加。(a)白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖的電壓電流波形圖；(b)～(d)曝光時(shí)間為Δt1、Δt2和Δt3(Δt1=1 010 ns,Δt2=1 950 ns,Δt3= 670 ns) 的高速照相機(jī)照片；(e)(b)～(d)的疊加，(b)～(d)是50個(gè)周期的疊加。

Fig.3 Instantaneous images of the concentric ring with white eyes pattern. (a) Waveform of the applied voltage and current of the white eyes superlattice concentric ring luminescent pattern. (b)-(d) Taken by a high speed camera correlated with the current pulse phase (Δt1=1 010 ns, Δt2= 1 950 ns, Δt3=670 ns) in (a). (e) Superposition of (b)-(d), (b)-(d) integrated over 50 voltage cycles.

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步利用更為靈敏的光電倍增管對(duì)放電絲O位置處的放電特性進(jìn)行研究，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)兩種情況:第一，如圖4(a)所示，放電絲O位置處的光信號(hào)首先在電壓上升沿的第一個(gè)電流脈沖放電之后，在本周期電壓下降沿又放了一次電；第二，如圖4(b)所示，其在電壓上升沿的第二個(gè)電流脈沖放電之后，在本周期的電壓下降沿又放了一次電。

由于多通道高速照相機(jī)不能將下降沿放電的放電絲O與E分開，本實(shí)驗(yàn)用兩個(gè)光電倍增管同時(shí)測(cè)量研究放電絲O和放電絲E的時(shí)間相關(guān)性，結(jié)果如圖5所示。

圖5(a2)、(b2)、(c2)分別是圖5(a1)、(b1)、(c1)圖中的局部放大圖，從圖中觀察到當(dāng)放電絲O在下降沿放電時(shí)，圖5(a2)放電絲O在放電絲E之前放電；圖5(b2)放電絲O在放電絲E之后放電；圖5(c2)放電絲O與放電絲E同時(shí)放電。所以當(dāng)放電絲O在下降沿放電時(shí)，與放電絲E的放電順序隨機(jī)。

圖4 放電絲O位置處的光信號(hào)的測(cè)量，V為電壓曲線，I為電流曲線，A對(duì)應(yīng)放電絲O的位置。

Fig.4 Optical signal at O area of discharge filaments,Vstands for waveform of the applied voltage,Istands for waveform of the current, A is the area of O discharge filaments.

圖5 放電絲O與放電絲E光信號(hào)相關(guān)性測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)接著使用高速錄像機(jī)拍攝不同曝光時(shí)間的錄像照片，選取了曝光10 μs和20 μs下的兩張照片，如圖6所示，觀察發(fā)現(xiàn)每個(gè)體放電周圍都有爪子形狀的沿面放電，且沿面放電的方向是伸向四周的[24]。

圖6 曝光10 μs和20 μs的照片

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果，利用壁電荷理論可以解釋說明該斑圖的形成機(jī)制[25]。首先放電絲O在電壓上升沿的第一個(gè)脈沖放電，放電產(chǎn)生的電荷在外加電場(chǎng)的作用下向兩極運(yùn)動(dòng)，最終積累在電介質(zhì)表面形成壁電荷，此時(shí)會(huì)形成一個(gè)與外加電場(chǎng)方向相反的內(nèi)建電場(chǎng)Ec來阻礙這次放電。繼續(xù)加壓，距離放電絲O越近的地方禁阻作用越強(qiáng)，越遠(yuǎn)禁阻作用越弱，所以距離放電絲O較遠(yuǎn)的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)放電絲形成暈H。暈H積累的壁電荷形成壁電荷場(chǎng)Eh，暈H放電所需要的電壓高，所以Eh>Ec。在介質(zhì)板上積累的壁電荷會(huì)形成兩個(gè)方向的電場(chǎng)，除了與外加電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，另一個(gè)是與介質(zhì)面平行的電場(chǎng)，被稱為橫向電場(chǎng)。由于橫向電場(chǎng)足夠大，所以在平行介質(zhì)板的方向上有沿面放電的存在，研究發(fā)現(xiàn)沿面放電是由體放電誘導(dǎo)產(chǎn)生的[26]。暈H放電結(jié)束后整個(gè)極板上的壁電荷場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，會(huì)抑制放電，最終熄滅放電。在電壓下降沿,隨著外加電場(chǎng)變?nèi)?電壓下降沿的放電主要由上半周期內(nèi)沉積的壁電荷所主導(dǎo)，暈H積累的壁電荷使得放電絲E在電壓下降沿放電。放電絲O本身積累的壁電荷以及暈積累的壁電荷使得放電絲O在本周期的電壓下降沿又放了一次電。由于沿面放電對(duì)表面壁電荷有重排作用，所以導(dǎo)致了放電絲O與放電絲E在電壓下降沿放電順序隨機(jī)。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)在空氣和氬氣的混合氣體中，首次發(fā)現(xiàn)了白眼超點(diǎn)陣同心圓環(huán)發(fā)光斑圖。該斑圖由奇數(shù)圈的點(diǎn)陣圓環(huán)和偶數(shù)圈的白眼圓環(huán)嵌套而成。用高速照相機(jī)和光電倍增管以及高速錄像機(jī)對(duì)該斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該斑圖的放電順序是放電絲O-白眼暈H-放電絲E和部分放電絲O；暈在奇數(shù)圈的隨機(jī)性導(dǎo)致部分放電絲O與暈H重合，進(jìn)一步導(dǎo)致了部分放電絲O在電壓下降沿的放電；該斑圖的每個(gè)體放電都伴隨沿面放電，沿面放電對(duì)壁電荷的重排作用導(dǎo)致了放電絲O與放電絲E在下降沿放電順序的隨機(jī)性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅擴(kuò)充了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)光斑圖類型，而且推動(dòng)了壁電荷理論對(duì)斑圖形成機(jī)制的解釋。