介質(zhì)阻擋放電中帶線六邊形斑圖

王玥，潘宇揚，李耀華，李彩霞，趙薇，付少鐸

(1.河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定 071002 ；2.河北大學 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學院， 河北 保定 071002；3.河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

斑圖是一種廣泛存在于自然界與實驗系統(tǒng)中的典型非線性自組織現(xiàn)象，其系統(tǒng)內(nèi)微觀參量相互作用從而導(dǎo)致宏觀參量有序排布.研究者們在自然界[1-4]、法拉第系統(tǒng)、化學反應(yīng)擴散系統(tǒng)、介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)[5-9]等系統(tǒng)中都觀察到了斑圖的存在，其中介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)因其操作簡便、產(chǎn)生的自組織斑圖種類豐富且斑圖發(fā)光便于測量得到了廣泛關(guān)注.介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge，DBD)系統(tǒng)是一種非平衡態(tài)氣體放電系統(tǒng)[10-13]，其至少有1個電極被電介質(zhì)所覆蓋.介質(zhì)阻擋放電因其裝置簡單易于操作等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[14-15].近年來DBD被廣泛應(yīng)用于斑圖領(lǐng)域研究，德國Purwins小組、美國Breazeal小組和Walhout小組、法國Boeuf小組、大連理工王德真小組、北京理工歐陽吉庭小組等都在對DBD系統(tǒng)中發(fā)光斑圖的研究中取得了一些研究成果[16-23].

本實驗小組首次采用雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置對DBD系統(tǒng)中發(fā)光斑圖進行研究，得到了豐富多樣的斑圖，如四邊形斑圖、六邊形斑圖、蜂窩斑圖、條紋斑圖、白眼超六斑圖、疏密點同心圓環(huán)斑圖、亮暗點超六斑圖等[16-23].文獻[24]在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由中心點、圍繞中心點環(huán)、環(huán)外6個點組成的單晶胞白眼斑圖；文獻[25]在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由中心點、小點、線、暈組成的點線白眼超六邊形斑圖，其中點、線分屬2套不同的結(jié)構(gòu)；文獻[26]在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由小點、線、暈、中心點組成的點線白眼超點陣六邊形斑圖，其中線是由小點誘導(dǎo)產(chǎn)生的SDs.在本實驗室之前發(fā)現(xiàn)的由點、線組成六邊形中，當線與小點不同屬一套結(jié)構(gòu)時，線由隨機放電絲組成；當線與小點同屬一套結(jié)構(gòu)時，線由小點的沿面放電組成.

本實驗首次在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了放電全部發(fā)生在上升沿，線是由隨機放電絲組成且和小點同屬一套結(jié)構(gòu)的帶線六邊形斑圖.利用高速照相機和光電倍增管對斑圖的時空結(jié)構(gòu)和時間相關(guān)性進行測量，通過對其時空動力學的研究發(fā)現(xiàn)該斑圖由帶線六邊形內(nèi)的中心點、帶線六邊形上的點及2個點之間的線和帶線六邊形內(nèi)暈3套子結(jié)構(gòu)組成且放電全部發(fā)生在上升沿.利用高速錄像機對斑圖的放電類型進行研究，發(fā)現(xiàn)2個帶線六邊形上的點之間的線是由隨機放電絲組成.該結(jié)果對具有六邊形框架結(jié)構(gòu)的斑圖有了新的認識，推動了壁電荷理論的發(fā)展.

1 實驗裝置

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup diagram

實驗裝置如圖1所示，主要由正弦交流等離子體發(fā)生器、示波器、2個水電極、ICCD相機和高速錄像機組成.水電極是由2個玻璃板密封住一個充滿水的圓柱構(gòu)成，在其中的一側(cè)浸入一個銅環(huán)并與交流電源連接.將水電極平行放置在可視的真空室內(nèi)，真空室?guī)в袣鍤夂涂諝膺M氣口并且與真空泵相連接，通過調(diào)節(jié)充入的氣體及腔內(nèi)氣壓來實現(xiàn)對斑圖的調(diào)控.本實驗在2個水電極之間放入了一個邊長為3.375 cm、厚度為3 mm的正方形邊界玻璃片作為放電介質(zhì).密閉容器內(nèi)氬氣含量為72.5%，壓強為35 kPa.改變外加電壓得到了圖2所示的斑圖演化序列.實驗過程中，外加電壓通過高壓探頭(TeKtronix P6015A 1000X)來檢測，利用數(shù)字示波器(TeKtronix TDS4104B)顯示和保存電流電壓信息；利用光電倍增管(PMT)接收光信號，接收的光信息由數(shù)字示波器存儲；利用數(shù)碼相機(Canon EOS 6D and Canon Macro 100 mm)、高速錄像機(HFVC; pco. dimax S4)、電感耦合增強設(shè)備(HSFC; pco. Pro 12 Bit)等儀器拍攝斑圖的照片.

2 結(jié)果與討論

2.1 帶線六邊形斑圖的演化序列

圖2是隨著外加電壓升高帶線六邊形斑圖的演化序列.當電壓為1.93 kV時，出現(xiàn)隨機放電絲如圖2a所示；升高電壓至3.94 kV時出現(xiàn)六邊形斑圖如圖2b所示；繼續(xù)升高電壓至5.70 kV時，出現(xiàn)本實驗所研究的帶線六邊形斑圖如圖2c所示，C表示帶線六邊形內(nèi)的中心點，V表示帶線六邊形上的點，L表示2個帶線六邊形上的點之間的線，H表示帶線六邊形內(nèi)暈；當電壓升至7.00 kV時，斑圖演化至混沌態(tài)如圖2d.

a.U=1.93 kV;b.U=3.94 kV;c.U=5.70 kV;d.U=7.00 kV.圖2 隨外加電壓升高斑圖的演化序列Fig.2 Evolution of patterns with increasing voltage

2.2 帶線六邊形斑圖的時間相關(guān)性測量

利用多通道高速照相機對斑圖進行分脈沖拍攝來研究斑圖的時空分布，由電壓電流波形圖可知本實驗所得到的斑圖在半個電壓周期內(nèi)共有3個電流脈沖，如圖3所示.利用高速照相機的3個通道對斑圖進行分脈沖多次疊加拍攝，3個電流脈沖的曝光時間分別是Δt1= 790 ns,Δt2= 1 150 ns,Δt3= 1 430 ns；疊加次數(shù)為50個周期，染色后如圖4a-c.圖4d為圖4a-c的疊加.由圖4a-c可知中心點C在半個電壓周期內(nèi)電壓上升沿Δt1所對應(yīng)的電流脈沖放電，帶線六邊形上的點V和2個V點之間的線L在半個電壓周期內(nèi)電壓上升沿的Δt2時刻所對應(yīng)的電流脈沖放電，帶線六邊形內(nèi)暈H在半個電壓周期內(nèi)電壓上升沿的Δt3時刻所對應(yīng)的電流脈沖放電.由此可知該斑圖的放電順序為C-V+L-H，且在每半個電壓周期內(nèi)都遵循此規(guī)律.所有放電都發(fā)生在電壓上升沿且在無下降沿放電，這與之前所得到的具有六邊形結(jié)構(gòu)的斑圖的放電規(guī)律有所不同.

為了進一步對帶線六邊形斑圖的放電特性進行研究，利用2個光電倍增管同時對V、L進行測量.結(jié)果如圖5所示，V、L在每半個電壓周期放1次電，且都在第2個電流脈沖(Δt2時刻)放電.對電流脈沖及光信號圖像進行放大處理發(fā)現(xiàn)V、L的放電時間較為接近但放電順序沒有規(guī)律.通過光電倍增管的測量結(jié)果可知不能將V、L完全分開，這也與之前通過高速照相機所得到的結(jié)果圖4b相符合.

圖3 電流電壓波形Fig.3 Waveforms of the voltage and the current

a.中心點; b.六邊形上的點及線; c.暈; d.圖a、b、c的染色疊加.圖4 高速照相機拍攝的照片及其疊加Fig.4 Photos of high-speed camera and the superposition of the three pictures

a.V在L之前放電; b.V在L之后放電.圖5 V與L光信號相關(guān)性測量Fig.5 Temporal correlation measurement between V and L

2.3 帶線六邊形斑圖中不同放電絲放電類型研究

為了研究帶線六邊形斑圖中各個子結(jié)構(gòu)的放電類型，利用高速錄像機錄制曝光時間為50 μs的斑圖照片，如圖6所示.從圖6中可以看出中心點(C)的亮度高于帶線六邊形上的點(V)的亮度，帶線六邊形上2個點之間的線在幀圖像中顯示為隨機放電絲，隨機放電絲多次疊加出現(xiàn)了線.這些隨機放電絲出現(xiàn)在V點的周圍，且在2個V點之間的位置疊加重合，因此隨機放電絲在2個V點之間的位置處積累的更多，故相比較于V點周圍位置處的亮度，2個V點之間位置處的亮度更亮，如圖6中上方圈所標識位置處亮度大于下方圈所標識位置處亮度.

圖6 曝光時間為50 μs的照片F(xiàn)ig.6 Images of the pattern at 50 μs exposure time

2.4 帶線六邊形斑圖的理論解釋

隨外加電壓升高，外加電場增加，達到C點的擊穿閾值，C點放電，積累壁電荷產(chǎn)生與外加電場反向的內(nèi)建電場.C點在外加電壓過零點開始首先放電，此時外加電壓過低不足以使得中心點放電，所以此次中心點放電是由前半周期暈放電所積累的壁電荷產(chǎn)生的壁電荷場主導(dǎo).中心點放電消耗壁電荷，產(chǎn)生與外加電場反向的電場.C點放電結(jié)束后該處積累的壁電荷產(chǎn)生的內(nèi)建電場對周圍位置的放電有禁阻作用，所以下一次放電發(fā)生在禁阻作用最弱的位置同時也是距離C點最遠的位置，也就是3個中心點連線的中心所在位置，即帶線六邊形上的點V.電壓繼續(xù)升高達到V點的擊穿閾值，V點放電，產(chǎn)生與外加電場反向的內(nèi)建電場.V點的本質(zhì)是隨機放電絲在該處的積累，V點處在距離C點最遠的位置禁阻作用最弱，所以會積累更多的放電絲形成點，但在其周圍也會有其他隨機放電絲的存在，只不過因為數(shù)量較少發(fā)光較弱，肉眼不可見，所以不能觀察到它的存在.但在2個V點之間的位置，這2個V點周圍存在的隨機放電絲在此處疊加重合，經(jīng)過多次疊加出現(xiàn)了線.由于V點和線的本質(zhì)都是隨機放電絲，所以二者的放電沒有時間上的先后順序.根據(jù)壁電荷理論V點放電完成后下一次放電應(yīng)該發(fā)生在禁阻作用最弱的位置即距離V點最遠的位置，也就是C點所在位置.然而C點在這半個電壓周期已經(jīng)放過1次電，不能再繼續(xù)放電，所以下次放電發(fā)生在暈H所在位置.電壓繼續(xù)升高達到暈H擊穿閾值，暈H放電積累壁電荷產(chǎn)生與外加電場方向相反的壁電荷場，此壁電荷場與下半個電壓周期的外加電場同向促進放電，主導(dǎo)下半個電壓周期C點的放電.在每半個電壓周期內(nèi)按照C-V+L-H的順序重復(fù)放電過程，形成帶線六邊形斑圖.

3 結(jié)論

本實驗首次在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了帶線六邊形斑圖.利用高速照相機分脈沖拍攝研究該斑圖的空間結(jié)構(gòu)，得出其在每半個電壓周期內(nèi)按照C-V+L-H的放電順序放電且所有放電都發(fā)生在電壓上升沿，無下降沿放電.利用光電倍增管同時對V、L處進行測量，發(fā)現(xiàn)二者都在第2個電流脈沖放電且沒有時間上的先后順序.為進一步研究放電絲L的放電特性，利用高速錄像機拍攝曝光時間為50 μs的發(fā)光斑圖錄像，發(fā)現(xiàn)L是由隨機放電絲組成，多次疊加形成了線.至此可知本實驗所研究的帶線六邊形斑圖由3套子結(jié)構(gòu)嵌套而成，在每半個電壓周期內(nèi)按照C-V+L-H的順序放電且放電都在上升沿，線L是由隨機放電絲組成.本實驗對具有六邊形框架結(jié)構(gòu)發(fā)光斑圖的放電規(guī)律及其時空結(jié)構(gòu)有了新的認識，豐富了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)光斑圖類型，推動了壁電荷理論的發(fā)展.