具有調(diào)制作用的介質(zhì)阻擋放電氣隙中的超四邊形斑圖

王朝陽(yáng)，徐洪志，李彩霞，郭麗婷，于廣林

(1. 河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002；2. 32142部隊(duì)，河北 保定 071000；3.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

介質(zhì)阻擋放電又稱為無(wú)聲放電，是一種經(jīng)典的非平衡狀態(tài)下的氣體放電[1-4],由于可以在大氣壓或者接近大氣壓的條件下進(jìn)行，且具有裝置簡(jiǎn)單、成本低廉等明顯優(yōu)勢(shì)，被實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用[5-9].介質(zhì)阻擋放電在一定條件下可以自組織成斑圖.近年來(lái)，斑圖的實(shí)驗(yàn)和仿真研究也越來(lái)越受到關(guān)注.本小組基于水電極在自組織斑圖領(lǐng)域開(kāi)展了一系列的工作，不僅獲得了豐富多樣的斑圖，如四邊形斑圖、六邊形斑圖、超點(diǎn)陣斑圖等[10-24]，測(cè)量了斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)，并利用壁電荷理論和耦合模型等對(duì)復(fù)雜斑圖的形成機(jī)理進(jìn)行了研究.如2018年，Yu等[25]在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中獲得了六邊形超晶格斑圖，通過(guò)用高速照相機(jī)和高速錄像機(jī)研究發(fā)現(xiàn)了沿面放電和體放電之間存在相互作用；2019年，郭麗婷等[26]在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中獲得了同心圓環(huán)斑圖，通過(guò)高速照相機(jī)發(fā)現(xiàn)該斑圖由奇數(shù)圈的放電絲和偶數(shù)圈的白眼嵌套而成.除此之外本實(shí)驗(yàn)室還對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置及氣隙邊界進(jìn)行了改造，得到了很多研究成果，如王永杰[27]等采用網(wǎng)狀電極，得到了人工和自組織等離子體柱組成的超六邊形等離子體光子晶體(等離子體光子晶體是由等離子體自身密度的周期性分布或者同其他介電材料交錯(cuò)周期性排列而形成的一種新型可調(diào)光子晶體).介質(zhì)阻擋放電中放電氣隙的氣隙邊界也不僅局限于圓形或者方形、六邊形等單一對(duì)稱的單層邊界，還可以利用雙層不同直徑或半徑的邊界組合而成的邊界等，如Gao等[28]選用H型氣隙在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中獲得了三維斑圖.劉彬彬[29]等在普通的四邊形邊界下獲得了白眼條紋超點(diǎn)陣斑圖，杜天[30]利用放電后所產(chǎn)生的等離子體將聚酰亞胺薄膜進(jìn)行刻蝕，從而實(shí)現(xiàn)了方格白眼斑圖的信息存儲(chǔ)，為信息存儲(chǔ)領(lǐng)域提供了一個(gè)新的發(fā)展方向和思路.

本實(shí)驗(yàn)在以前工作的基礎(chǔ)上，采用在一個(gè)方形介質(zhì)板上開(kāi)9個(gè)1 cm×1 cm的方形孔作為放電區(qū)域，通過(guò)改變電壓和氣隙中氬氣與空氣的比例，在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)一致的九宮格超四邊形斑圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅補(bǔ)充了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的小面積放電斑圖的類型，而且對(duì)工業(yè)應(yīng)用如選擇性材料表面處理等具有一定的借鑒意義.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.2個(gè)浸有銅環(huán)的有機(jī)玻璃空心圓柱，兩端用玻璃板密封，管體內(nèi)注入水，相對(duì)放置在透明的密閉容器內(nèi)，2個(gè)水電極中放置銅圓環(huán)并分別連接高壓電源的兩極.實(shí)驗(yàn)通過(guò)抽氣泵來(lái)控制密閉容器中的氣壓，密閉容器2個(gè)進(jìn)氣口，1個(gè)出氣口.其中1個(gè)進(jìn)氣口通過(guò)細(xì)管與氬氣連接，另1個(gè)進(jìn)氣口直接暴露在空氣中，2個(gè)進(jìn)氣口分別由2個(gè)氣閥控制，借此控制密閉容器中的氣體成分，通過(guò)放氣閥和進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)內(nèi)部壓強(qiáng)以及氬氣與空氣的比例.本次實(shí)驗(yàn)在2個(gè)水電極之間放入1個(gè)特制的玻璃介質(zhì)擋板作為放電氣隙，如圖2所示.特制玻璃板是邊長(zhǎng)為12 cm的正方形，玻璃板上開(kāi)9個(gè)邊長(zhǎng)D為1 cm的方形孔，每個(gè)方形孔間距d均為1 cm，中心方形孔位于玻璃板的幾何中心,稱為九宮格調(diào)制氣隙.調(diào)制本來(lái)是指的把消息置入載體，以便于傳輸和處理，在這里是指將空間的1個(gè)大氣隙通過(guò)特制玻璃介質(zhì)擋板變?yōu)?個(gè)空間分離、尺寸相同的小氣隙，即調(diào)制氣隙.在密閉容器外的可視窗口處，用相機(jī)(canon powershot)拍攝斑圖，并用數(shù)字示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz)記錄電流電壓波形情況.用高速相機(jī)(HSFC Pro，3channels)分脈沖拍攝瞬時(shí)照片研究斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué).光電倍增管PMT(RCA7625)測(cè)量不同結(jié)構(gòu)上放電絲的時(shí)間相關(guān)性.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of the experiment

圖2 特制玻璃介質(zhì)擋板Fig.2 Special glass medium baffle

2 結(jié)果與討論

用圖1實(shí)驗(yàn)裝置，在上述邊界下，控制反應(yīng)室中的氣體壓強(qiáng)為33 kPa，反應(yīng)氣體為空氣與氬氣的混合氣體，氬氣的體積分?jǐn)?shù)為16%，調(diào)節(jié)電源，慢慢升高外加電壓，氣隙中的氣體被擊穿后，產(chǎn)生幾個(gè)游離的放電絲，圖3給出在介質(zhì)阻擋放電中九宮格調(diào)制的超四邊形斑圖隨著外加電壓的升高斑圖的演化序列.當(dāng)外加電壓達(dá)到3.18 kV，氣體被擊穿，放電絲在正方形小單元的頂角處形成4個(gè)小點(diǎn)，且每個(gè)單元具有統(tǒng)一性，將其稱為四邊形斑圖1，如圖3a所示；隨著電壓的繼續(xù)升高，當(dāng)電壓達(dá)到4.6 kV時(shí)，除了在小正方形頂角處的4個(gè)小點(diǎn)外，在正方形4個(gè)邊的中點(diǎn)和正方形的幾何中心位置上，也出現(xiàn)小點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)小點(diǎn)，且每個(gè)單元具有統(tǒng)一性，因此將其稱為四邊形斑圖2，如圖3b所示；當(dāng)電壓繼續(xù)升高達(dá)到6.4 kV時(shí)，在小正方形幾何中心位置處演化出4個(gè)小點(diǎn)，而小正方形的頂角和邊上的小點(diǎn)依然存在，亮度有所增強(qiáng)，在小正方形的邊界上演化出亮點(diǎn)，1個(gè)小正方形單元中有24個(gè)點(diǎn)，每個(gè)小正方形單元的放電基本上保持一致，將每個(gè)小正方形單元中的放電斑圖稱為超四邊形斑圖，如圖3c所示；繼續(xù)升高電壓，當(dāng)外加電壓增加到8.4 kV時(shí)，小正方形幾何中心位置的4個(gè)小點(diǎn)消失，演化出9個(gè)整齊排列的小點(diǎn)，小正方形頂角處的亮點(diǎn)仍然存在，而小正方形邊上演化出2個(gè)小點(diǎn)，小正方形邊界位置處的亮點(diǎn)消失，此時(shí)共計(jì)21個(gè)點(diǎn)，每個(gè)小正方形單元形成的斑圖均存在一些或大或小的區(qū)別，將最為規(guī)整的小正形放電斑圖稱為四邊形斑圖3，如圖3d所示.超四邊形斑圖中每個(gè)小正方形單元中形成的斑圖基本相同，而且里面產(chǎn)生的放電絲狀態(tài)最為穩(wěn)定，因此超四邊形斑圖是最合適的研究對(duì)象.

a.U=3.18 kV;b.U=4.6 kV;c.U=6.4 kV; d.U=8.4 kV.圖3 隨外加電壓增加斑圖的演化序列Fig.3 Evolution sequence of the pattern with the increase of applied voltage

為了進(jìn)一步研究圖3c所示超四邊形斑圖的時(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4所示.圖4a為放電的電壓電流波形圖，放電脈沖可以分為3個(gè)明顯的子脈沖，子脈沖持續(xù)時(shí)間分別為550、610和950 ns,利用高速相機(jī)的外觸發(fā)模式，分別對(duì)應(yīng)放電脈沖時(shí)刻，且曝光時(shí)間設(shè)置為脈沖的持續(xù)時(shí)間，即Δt1=550 ns、Δt2=610 ns、Δt3=950 ns，為提高信噪比，將50個(gè)周期疊加拍攝，圖4b-d是高速相機(jī)分脈沖拍攝染色后的圖片，圖4e是b-d的疊加.結(jié)果表明小正方形單元幾何中心位置的4個(gè)小點(diǎn)首先在電壓上升沿的電流脈沖段Δt1處放電，高速相機(jī)拍攝到的是小正方形單元頂角的4個(gè)點(diǎn)和小正方形單元邊上的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于Δt2處的放電，小正方形邊界上的亮點(diǎn)在Δt3處放電.由此可得此斑圖的放電順序是從小正方形的幾何中心位置的4個(gè)小點(diǎn)先放電，然后是小正方形的頂角和邊上的點(diǎn)放電，最后是小正方形邊界上的點(diǎn)放電，且每個(gè)正方形單元中的放電順序存在統(tǒng)一性.

a.曝光示意；b、c、d、e.染色疊加.圖4 高速照相機(jī)曝光示意圖及拍攝照片的染色疊加Fig.4 Exposure diagram of high-speed camera and color superposition of photos taken

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步利用對(duì)光更為靈敏的光電倍增管對(duì)超四邊形斑圖中每個(gè)放電絲的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行研究.首先，對(duì)1個(gè)小正方形單元中產(chǎn)生的超四邊形斑圖進(jìn)行研究.任取小正方形單元中間位置4個(gè)小點(diǎn)中的2個(gè)點(diǎn)，記作L、L1,使用2個(gè)光電倍增管同時(shí)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5a所示，小正方形單元中的4個(gè)小點(diǎn)均是同時(shí)放電；然后，再對(duì)小正方形單元中頂角和邊上的小點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，任取其中的2個(gè)點(diǎn)，記作S1、S2,測(cè)量結(jié)果如圖5b所示，小正方形單元中的頂角和邊上的小點(diǎn)均為同時(shí)放電.最后，從小正方形幾何中心位置的4個(gè)小點(diǎn)中任取1點(diǎn)，記作L3，再?gòu)男≌叫雾斀呛瓦吷系狞c(diǎn)中各任取1點(diǎn)，記作T1、T2,測(cè)量結(jié)果如圖5c所示，小正方形中心位置的小點(diǎn)在第1個(gè)電流脈沖放電，小正方形頂角和邊上的點(diǎn)在電流的第2個(gè)脈沖放電.光電倍增管的測(cè)量結(jié)果與高速照相機(jī)的測(cè)量結(jié)果一致，由此推斷，小正方形單元中邊界上的點(diǎn)也是同時(shí)放電，且在小正方形4個(gè)小點(diǎn)、頂角和邊上的小點(diǎn)之后放電，因此不再贅述.為了探究不同邊界之間的相互作用，選取了不同單元格之間相同位置的點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它們都是同時(shí)放電，而且，若是在一個(gè)單元格中測(cè)量的是中間4個(gè)點(diǎn)，另一個(gè)單元格中測(cè)量中間4個(gè)小點(diǎn)周圍的8個(gè)點(diǎn)時(shí)，得出的光信號(hào)顯示，它們的放電順序和測(cè)量同一個(gè)單元格里2個(gè)點(diǎn)的放電順序一樣，測(cè)量結(jié)果如圖5d所示.由此推斷，不同單元格的小點(diǎn)，放電的先后順序和同一個(gè)單元格內(nèi)不同小點(diǎn)的放電順序是一樣的.進(jìn)而可以得出結(jié)論，不同單元格之間的放電機(jī)制是相同的，在調(diào)制氣隙中，當(dāng)D/d=2時(shí)，每個(gè)小正方形氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)分布、氣體成分、邊界尺寸相同時(shí)，每個(gè)單元的介質(zhì)阻擋放電存在獨(dú)立性，每個(gè)單元格有著相同的時(shí)空動(dòng)力學(xué)特性.

根據(jù)以上高速相機(jī)和光電倍增管的測(cè)量結(jié)果對(duì)本次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)道.在電壓0.5個(gè)周期內(nèi)，外加電壓的上升沿第1個(gè)電流脈沖，對(duì)應(yīng)著小正方形中心位置的4個(gè)小點(diǎn)，這是超四邊形斑圖中的第1套子結(jié)構(gòu)；小正方形單元中頂角和邊上的小點(diǎn)對(duì)應(yīng)著電壓上升沿的第2個(gè)電流脈沖，這是超四邊形斑圖上的第2套子結(jié)構(gòu)；小正方形邊界上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著電壓上升沿的第3個(gè)電流脈沖，形成第3套子結(jié)構(gòu).每0.5個(gè)周期重復(fù)相同的放電規(guī)律，多個(gè)周期疊加形成如圖3c所示的超四邊形斑圖.

a.超點(diǎn)陣四邊形斑圖；b.點(diǎn)L1、L2的光信號(hào)；c.點(diǎn)T1、T2的光信號(hào)；d.點(diǎn)S1、S2的光信號(hào)；e.點(diǎn)S2、L3的光信號(hào).圖5 光信號(hào)Fig.5 Optical signal

為了能夠更加清楚明了地展示放電順序和壁電荷的禁阻作用(放電積累的壁電荷會(huì)產(chǎn)生與外加電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)下次放電產(chǎn)生抑制作用，也稱壁電荷的禁阻作用)，其禁阻作用應(yīng)該是由放電絲中心位置向四周輻射，呈現(xiàn)出圓對(duì)稱的區(qū)域，圖6給出放電順序示意圖.圖6中淺灰、灰、深灰分別表示3個(gè)子結(jié)構(gòu)中壁電荷的位置.禁阻作用強(qiáng)的區(qū)域用較深的顏色表示，禁阻作用弱的區(qū)域用較淺的顏色表示.首先淺灰色點(diǎn)即小正方形中心位置的4個(gè)小點(diǎn)放電，對(duì)其四周放電產(chǎn)生抑制作用(如圖6a所示)，并且距離越近，抑制作用越強(qiáng)，圖中用不同顏色表示了禁阻作用的大小.禁阻作用最弱應(yīng)該在距離4個(gè)小點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置，但是由于是小面積放電，容易受邊界的影響，所以形成了小正方形的幾何中心位置的4個(gè)小點(diǎn)先放電→小正方形的頂角和邊上的點(diǎn)放電→小正方形邊界上的點(diǎn)放電這樣的放電順序.圖6b為第2套子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壁電荷以及其禁阻作用強(qiáng)弱.第3次放電發(fā)生在邊界附近，如圖6c所示.下輪首次放電又會(huì)發(fā)生在中心位置，周而復(fù)始，產(chǎn)生3套結(jié)構(gòu)相互嵌套的穩(wěn)定的斑圖.

a.4個(gè)小點(diǎn)放電絲；b.次外圍9個(gè)小點(diǎn)放電絲；c.外圍12個(gè)小點(diǎn)放電絲.圖6 放電順序示意Fig.6 Schematic diagram of discharge sequence

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)在空氣和氬氣的混合氣體中，利用方形玻璃板上的9個(gè)孔作為放電氣隙，相當(dāng)于對(duì)氣隙進(jìn)行了9孔調(diào)制，進(jìn)行小面積區(qū)域放電，首次發(fā)現(xiàn)并研究了多個(gè)同樣的小單元組成的重復(fù)超四邊形點(diǎn)陣斑圖.每個(gè)單元斑圖是由小正方形中心位置4個(gè)小點(diǎn)、小正方形頂角和邊上的點(diǎn)和小正方形邊界點(diǎn)嵌套而成.用高速相機(jī)和光電倍增管對(duì)該斑圖的時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)斑圖的放電順序是從中間到邊界位置依次放電.并且斑圖的形成，會(huì)很大程度上受邊界條件的影響.此小面積重復(fù)單元斑圖是由壁電荷和邊界效應(yīng)共同影響而產(chǎn)生的.當(dāng)氣隙邊長(zhǎng)和間隔之比為2時(shí)，9個(gè)單元格之間的放電沒(méi)有互相作用和影響，是相互獨(dú)立的，具有統(tǒng)一性.改變參數(shù)，即D/d的值小于2時(shí)，小面積放電斑圖的放電特性還有待研究.因此，在對(duì)材料的表面進(jìn)行處理時(shí)，一定條件下多個(gè)單元格之間不會(huì)相互影響，這樣就可以同時(shí)處理多個(gè)材料元件，這對(duì)于工作效率的提高有很大幫助.此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上豐富了小面積放電區(qū)域的斑圖類型，對(duì)工業(yè)應(yīng)用如選擇性材料表面處理等也具有一定的借鑒意義.