氦氣下介質(zhì)阻擋放電表面電荷分布規(guī)律

黃寅,孟永鵬,馬鑫哲,吳鍇,成永紅

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD)是常壓下產(chǎn)生低溫等離子體的主要方式[1-3]。由于其不需要昂貴的真空設(shè)備,工藝流程簡(jiǎn)單[4-5]等諸多優(yōu)點(diǎn),在臭氧合成[6]、表面處理[7]、生物醫(yī)學(xué)[8]、薄膜工藝[9]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也是氣體放電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。常壓DBD由體過(guò)程和面過(guò)程兩部分組成[10-11],當(dāng)放電從間隙發(fā)展到介質(zhì)表面時(shí),帶電粒子會(huì)在介質(zhì)表面沉積并沿面擴(kuò)展。由于表面電荷衰減和輸運(yùn)的時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于放電周期,在下一次放電前,上次放電產(chǎn)生的殘余電荷仍然存在,表面電荷記憶效應(yīng)影響將下次放電的放電強(qiáng)度和相位[12-13]。因此,表面電荷的分布及其對(duì)DBD特性的影響近年來(lái)已引起許多國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。Tschiersch等系統(tǒng)地測(cè)量了彌散類輝光放電的側(cè)面發(fā)光圖像和介質(zhì)表面電荷,對(duì)比了不同材料表面電荷分布的差異[14]。Bogaczyk等對(duì)多脈沖DBD產(chǎn)生的殘余表面電荷進(jìn)行了測(cè)量,通過(guò)表面電荷分布得到的氣隙電壓的時(shí)空發(fā)展,表明了表面電荷記憶效應(yīng)保留了放電在空間上的不均勻性[15]。Mu等利用透射法探究了直流電壓下針板電極結(jié)構(gòu)正、負(fù)電荷二維分布的不同，以及不同材料表面電荷分布的差異[16]。Wild等對(duì)介質(zhì)表面電荷衰減過(guò)程進(jìn)行了研究,研究表明:表面電荷衰減過(guò)程的時(shí)間在秒量級(jí),且電荷極性與氣隙中氣體的相關(guān)參數(shù)(氣壓、氣體組分等)均會(huì)對(duì)表面電荷衰減產(chǎn)生影響[17]。Du等研究了不同氣氛中氣流速度對(duì)放電特性和表面電荷分布的影響[18]。但關(guān)于常壓DBD表面電荷分布對(duì)放電特性及放電形態(tài)演變影響機(jī)制的相關(guān)報(bào)道仍然較少。

在常壓氦氣環(huán)境中,放電模式更容易隨外加電壓條件的改變而轉(zhuǎn)化,有利于探究均勻放電與絲狀放電等放電模式之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律和轉(zhuǎn)化條件。本文搭建了基于Pockels效應(yīng)的高時(shí)間分辨率表面電荷分布測(cè)量系統(tǒng),研究了在常壓氦氣中不同電壓幅值和不同電壓頻率下的表面電荷分布特性,得到了不同條件下均勻放電和絲狀放電之間的轉(zhuǎn)變規(guī)律以及不同放電形態(tài)下的表面電荷分布規(guī)律。研究結(jié)果有助理解表面電荷對(duì)常壓氦氣下DBD的放電形態(tài)形成與演化的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)量方法

1.1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前在交流電壓驅(qū)動(dòng)的常壓DBD研究中常采用的工作周期一般為十幾到幾十微秒[19-20],這就要求基于Pockels效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間分辨率在微秒量級(jí)。所搭建的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示,由電極單元、光學(xué)單元、觸發(fā)器和電源系統(tǒng)等組成。驅(qū)動(dòng)電源采用的是CTP-2000K型高頻正弦電源,光學(xué)單元由激光器(632.8 nm)、擴(kuò)束器、偏振分束器、光闌、1/8波片、二分幅系統(tǒng)與ICCD相機(jī)等元件組成,起到入射光的產(chǎn)生、光斑調(diào)整、光線分束和反射光光強(qiáng)記錄等作用。

圖1 表面電荷測(cè)量系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of surface charge measurement system

1.2 表面電荷測(cè)量原理

實(shí)現(xiàn)表面電荷的光學(xué)測(cè)量的核心是具有Pockels效應(yīng)的硅酸鉍晶體(bismuth silicon oxide,BSO)[21],當(dāng)氣隙放電發(fā)生后,介質(zhì)表面有電荷沉積,所形成的電場(chǎng)改變了BSO晶體對(duì)光的折射率,其折射率的改變,將產(chǎn)生光的相位延遲,從而使得ICCD相機(jī)接收到的光強(qiáng)發(fā)生改變。此外,為能在同一次放電中鑒別正負(fù)電荷,在光路中加入1/8波片來(lái)改變光的偏振狀態(tài),從而區(qū)分介質(zhì)表面積聚電荷的極性[21],此時(shí)光強(qiáng)和相位延遲之間的關(guān)系式可以通過(guò)瓊斯矩陣[22]計(jì)算得出,即

(1)

光的相位延遲φ和表面電荷密度σ之間的線性關(guān)系為

(2)

式中:n0為無(wú)電場(chǎng)時(shí)的晶體折射率;γ41為電光系數(shù);λ為實(shí)驗(yàn)光的波長(zhǎng);d、ε0、εBSO分別為BSO晶體厚度、真空介電常數(shù)與晶體介電常數(shù)。

在表面電荷觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中,在電壓施加在放電電極的前幾十個(gè)或幾百個(gè)放電周期內(nèi),放電的隨機(jī)性較大,為保證在放電處于一個(gè)較為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行表面電荷拍攝,因此待高頻正弦電壓施加于放電單元1 s后,觸發(fā)二分幅系統(tǒng)對(duì)表面電荷進(jìn)行測(cè)量。ICCD相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為5 μs,可調(diào)整兩臺(tái)相機(jī)的觸發(fā)延遲,以實(shí)現(xiàn)正負(fù)放電結(jié)束后的介質(zhì)表面殘余電荷的拍攝。通過(guò)ICCD相機(jī)分別測(cè)得放電發(fā)生前后的反射光光強(qiáng)分布,利用式(1)可算得延遲相位二維分布,再利用式(2)可進(jìn)一步得到表面電荷二維分布。

1.3 DBD放電單元

放電電極單元中高壓端為直徑10 mm的銅電極,BSO單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示,BSO晶體的尺寸為20 mm ×20 mm× 0.16 mm。由于測(cè)量光路采用反射式布局,實(shí)驗(yàn)光束通過(guò)BSO晶體上表面和下表面都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射光,為區(qū)分反射光中帶有放電信息的電荷斑,晶體上表面加工為6′±2′的傾角[23],這時(shí)兩束反射光通過(guò)凸鏡匯聚將產(chǎn)生兩個(gè)匯聚點(diǎn),通過(guò)小孔將下表面的反射光濾除,從而得到含有介質(zhì)表面電荷二維分布的反射光斑。

圖2 BSO單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of BSO cell

BSO晶體上表面覆蓋有6 μm的聚乙烯薄膜,下表面粘貼在0.8 mm厚的BK7玻璃上,為晶體提供支撐與保護(hù),BK7玻璃的底面鍍有一層ITO透明電極。測(cè)量電極與地電極之間跨接有50 Ω的無(wú)感電阻,用以測(cè)量放電電流。

2 不同電壓參數(shù)下的表面電荷分布

在5 mm氣隙高度的條件下,將放電電極置于真空腔,對(duì)腔內(nèi)抽真空至4 Pa,然后充入純度為99.999%的氦氣至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2.1 電壓頻率為15 kHz時(shí)不同幅值的表面電荷分布

固定電壓頻率為15 kHz,并逐漸升高電壓幅值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3中的曝光模擬信號(hào)的上升沿時(shí)刻和脈寬分別對(duì)應(yīng)兩張表面電荷分布圖的測(cè)量時(shí)刻和測(cè)量時(shí)ICCD的門寬。

(a)450 V

電流脈沖的參數(shù)如表1所示。本文中電流脈寬指的是幅值最高的電流脈沖的半高寬,當(dāng)放電周期中存在多個(gè)幅值較大的脈沖時(shí),采用波動(dòng)來(lái)表示放電的不穩(wěn)定性。隨著電壓幅值的增高,電流脈寬和幅值增大。當(dāng)電壓幅值為450 V時(shí),半個(gè)電壓周期內(nèi)只有一個(gè)電流脈沖,且電流的幅值和相位保持相對(duì)恒定,表面電荷均勻分布于介質(zhì)表面。隨著電壓幅值的提高,電流脈沖由單脈沖向多脈沖演變,表面電荷密度增大。當(dāng)電壓幅值為560 V時(shí),放電形態(tài)為雙脈沖放電。電流脈沖在多個(gè)周期中具有重復(fù)性,屬于時(shí)間上穩(wěn)定的放電形態(tài),表面電荷仍均勻分布于介質(zhì)表面。當(dāng)電壓幅值為630 V時(shí),半個(gè)電壓周期內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)電流脈沖,電流的峰值和相位保持穩(wěn)定,表面電荷分布圖中出現(xiàn)了一些高電荷密度點(diǎn)。當(dāng)電壓幅值為660 V時(shí),放電電流雖然仍為穩(wěn)定的多個(gè)周期可重復(fù)的放電波形,但幅值最大的電流脈沖附近會(huì)有一些較小的電流脈沖,此時(shí)可明顯觀察到大量密集的放電絲,且表面電荷密度分布圖中分散的高電荷密度點(diǎn)增多,放電形態(tài)已轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀微放電。

表1 頻率為15 kHz時(shí)4種電壓下的電流脈沖參數(shù)

本文采用表面電荷概率密度分布來(lái)對(duì)電荷密度二維分布做定量分析。介質(zhì)表面電荷概率密度分布定義為不同電荷密度區(qū)間對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)占整個(gè)光斑像素點(diǎn)數(shù)的比值,可以反映出電荷密度在不同區(qū)間內(nèi)的分布百分比,從電荷密度在不同區(qū)間的分布情況反映電荷分布的均勻性。

圖4為正放電表面殘余電荷密度分布統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果。由圖4可知,在氣隙寬度為5 mm時(shí),高頻正弦電壓下常壓氦氣DBD的表面電荷密度在nC/cm2量級(jí)。在電壓為450～630 V時(shí),表面電荷密度主要分布在20 nC/cm2以內(nèi),且隨著電壓的提高,在[6.2,20] nC/cm2電荷密度區(qū)間上概率密度分布曲線逐漸上移,即電荷概率密度分布向更高的電荷密度區(qū)間上移動(dòng),整個(gè)介質(zhì)表面的殘余電荷密度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

(a)450、560、630 V

在450 V電壓幅值下,電荷在[0,10.86] nC/cm2密度區(qū)間上的分布可達(dá)93.42%。當(dāng)電壓幅值增大到630 V時(shí),密度區(qū)間[0,6.2] nC/cm2上的電荷分布從85.4%降到56.97%,密度區(qū)間[6.2,20] nC/cm2上的電荷分布從14.17%增加到40.22%。當(dāng)電壓幅值從630 V增加到660 V時(shí),在大于22 nC/cm2的電荷密度區(qū)間上概率密度分布曲線上移,在[3.1,22] nC/cm2區(qū)間上概率密度分布曲線下移。

2.2 電壓頻率為40 kHz時(shí)不同幅值的表面電荷分布

在頻率為40 kHz時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,其中電流脈沖的參數(shù)如表2所示?？梢钥吹?隨著電壓幅值的升高,半個(gè)周期內(nèi)的電流脈沖數(shù)增多,幅值呈增大趨勢(shì)。當(dāng)電壓幅值為470 V時(shí),電流波形在半個(gè)電壓周期內(nèi)只有一個(gè)脈沖,電流脈寬在2.2 μs左右,幅值和相位在多個(gè)電壓周期內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)電壓幅值增大到590 V時(shí),放電電流波形由單脈沖演變?yōu)殡p脈沖,峰值保持穩(wěn)定。當(dāng)電壓幅值為610 V時(shí),負(fù)電流的峰值開始隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng),放電電流的脈寬仍保持在微秒量級(jí)。當(dāng)電壓幅值達(dá)到660 V時(shí),電流峰值波動(dòng)更加明顯,正半周內(nèi)仍是兩個(gè)電流脈沖,而在負(fù)半周出現(xiàn)了3個(gè)放電脈沖。

(a)470 V

表2 頻率為40 kHz時(shí)4種電壓下的電流脈沖參數(shù)

由圖5中的表面電荷分布可知,不同電壓幅值下表面殘余電荷均為分立的放電斑,表現(xiàn)為絲狀放電形態(tài)。圖5(a)、(b)、(c)中正電荷斑的直徑均在0.76 mm左右,圖5(d)中的正電荷斑的直徑為1.06 mm。當(dāng)電壓為470 V時(shí),電荷斑分布于電極邊緣處,正負(fù)電荷斑的位置高度重合,屬于位置相對(duì)固定的絲放電形態(tài)。提取圖5(a)中絲狀放電區(qū)域內(nèi)固定面積的局部圖像,并對(duì)圖片中每個(gè)像素點(diǎn)的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到的表面電荷概率密度分布如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)：正電荷斑密度主要分布在區(qū)間[0,41.6] nC/cm2上,分布概率為92.83%;負(fù)電荷斑密度主要分布在區(qū)間[-24.3,0] nC/cm2上,分布概率為93.26%。正電荷斑密度總體上高于負(fù)電荷密度的絕對(duì)值,且正電荷密度分布的區(qū)間更寬,即負(fù)電荷密度分布相比于正電荷而言更為集中。

(a)正電荷斑密度分布

在一個(gè)放電周期內(nèi),正放電前介質(zhì)表面負(fù)殘余電荷的存在會(huì)使得氣隙電場(chǎng)得以增強(qiáng),負(fù)放電亦然。更高的正電斑密度使得負(fù)放電前氣隙電場(chǎng)會(huì)有更大程度的增強(qiáng),在更低的外加電壓下氣隙電場(chǎng)就可達(dá)到擊穿電場(chǎng),因此圖5(a)中的負(fù)放電時(shí)刻相比于正放電時(shí)刻更接近過(guò)零點(diǎn)。由于圖5(a)的外施電壓較低,因此氣隙電場(chǎng)受表面電荷的影響更大。由于上一次放電后有表面電荷殘留,同一位置在下一次放電前其電場(chǎng)又會(huì)被增強(qiáng),因此放電總會(huì)在同一位置發(fā)生,進(jìn)而表現(xiàn)出顯著的表面電荷記憶效應(yīng)[24]。顯著的表面電荷記憶效應(yīng)是放電絲電流波形幅值和相位在多個(gè)電壓周期中穩(wěn)定的重要保證。

對(duì)圖5中的正電荷斑密度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如圖7所示。當(dāng)放電形式為絲狀放電時(shí),4個(gè)電壓幅值下的表面電荷密度在20 nC/cm2以內(nèi)的分布概率均低于60%。

圖7 頻率為40 kHz時(shí)正表面電荷概率密度分布Fig.7 Probability distribution of positive surface charge under voltage frequency of 40 kHz

相比于圖4中均勻放電的電荷密度分布,絲狀放電的表面電荷分布在更高的電荷密度區(qū)間上在45 nC/cm2以上的電荷密度區(qū)間上,隨著電壓幅值的升高,表面電荷概率密度分布曲線總體上呈現(xiàn)上移的趨勢(shì)。在電壓幅值的上升過(guò)程中,表面電荷密度在[45,90] nC/cm2上的分布概率由13.85%升高到25.56%,即在大于45 nC/cm2的區(qū)間上表面電荷密度分布總體上向更高的密度區(qū)間移動(dòng)。

2.3 不同電壓頻率下的表面電荷分布

為了探究電壓頻率對(duì)表面電荷分布特性的影響固定電壓幅值為475 V,選取12、20、30、46 kHz電壓頻率下的表面電荷密度分布測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

(a)12 kHz

在電壓頻率增大的過(guò)程中,電流波形始終保持穩(wěn)定。12、30、46 kHz電壓頻率下是典型的單脈沖放電。20 kHz電壓頻率下,正放電電流波形為單脈沖,而負(fù)放電呈現(xiàn)雙脈沖。表3、表4分別為不同頻率下電流脈沖、正負(fù)電荷斑的對(duì)比。

表3 4種頻率下的電流脈沖參數(shù)

表4 3種頻率下的表面電荷斑對(duì)比

可以看到,隨著頻率的增大,在均勻放電向絲狀放電轉(zhuǎn)化的過(guò)程中,電流幅值逐漸增大,脈寬逐漸減小,正負(fù)電流幅值的差值增大,不對(duì)稱性變得顯著。絲狀放電的電流脈寬在微秒量級(jí),均勻放電的電流幅值小于絲狀放電,脈寬大于絲狀放電。隨著頻率的升高,表面電荷總量逐漸增大,且始終處于0.5 nC以內(nèi);表面電荷斑的直徑和占有率呈增大趨勢(shì),且負(fù)電荷斑直徑比正電荷斑直徑大,即隨著頻率的升高,主要的放電區(qū)域經(jīng)歷了先收縮后增大的過(guò)程。不同頻率下的表面正、負(fù)電荷密度分布如圖9所示。

(a)正電荷密度分布

當(dāng)電壓頻率為12 kHz時(shí),放電形態(tài)為均勻放電,正電荷密度分布在10 nC/cm2以內(nèi)區(qū)間的概率達(dá)到90.49%。當(dāng)電壓頻率升高到20 kHz時(shí),放電形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀放電,正電荷密度分布在10 nC/cm2以內(nèi)區(qū)間的概率大幅下降,僅為14.87%,而在大于20 nC/cm2區(qū)間上的分布概率可達(dá)64%,遠(yuǎn)大于均勻放電時(shí)的情況。電壓頻率為30 kHz時(shí),在大于25 nC/cm2的密度區(qū)間上,電荷分布概率相比于20 kHz均出現(xiàn)了不同程度的下降。當(dāng)頻率繼續(xù)升高時(shí),在大于23.28 nC/cm2的高密度區(qū)間上的分布概率由55.69%降低為25.74%,而電荷密度在小于23.28 nC/cm2的低密度區(qū)間上的分布概率升高。

由圖9(b)可知,在負(fù)電荷絕對(duì)值大于15.52 nC/cm2的任何電荷密度區(qū)間上,均存在表面電荷密度分布概率隨電壓頻率升高而升高的規(guī)律。當(dāng)電壓頻率從13 kHz提高到46 kHz時(shí),在負(fù)電荷密度絕對(duì)值大于15.52 nC/cm2的區(qū)間上,電荷密度分布概率由0.98%增加到47.42%。在12 kHz均勻放電形態(tài)下,負(fù)電荷密度分布在-10 nC/cm2以內(nèi)區(qū)間的概率達(dá)到89.55%。與正電荷不同的是,負(fù)電荷概率密度分布在不同的絲狀放電形式下,隨著頻率升高,仍然會(huì)存在總體電荷密度分布增大的規(guī)律。

3 分析與討論

結(jié)合不同實(shí)驗(yàn)條件下的表面電荷觀測(cè)與放電特性等信息的測(cè)試與分析可知,當(dāng)外加激勵(lì)電壓幅值升高時(shí),放電間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng),從而使得間隙中氣體的電離程度增加,以產(chǎn)生更多的帶電粒子[25],介質(zhì)表面也將阻擋、吸附、積聚更多的電荷。

當(dāng)外加電壓工作頻率提高時(shí),粒子間的碰撞運(yùn)動(dòng)加劇,氣體更易被電離,空間中將產(chǎn)生更多的帶電粒子。此外頻率的增加使得每個(gè)周期內(nèi)正負(fù)放電的時(shí)間間隔縮短,減少了空間中帶電粒子的中和與消散,使得上一次放電后在間隙中殘留的帶電粒子密度增大,而當(dāng)下次放電發(fā)生前,隨著碰撞電離的發(fā)展,這些高能和帶電粒子將產(chǎn)生大量的二次電子,促進(jìn)放電通道的發(fā)展并提高放電的強(qiáng)度,使得放電電流幅值的增加,同時(shí)阻擋介質(zhì)更容易捕獲放電空間中的帶電粒子,使得每次放電后介質(zhì)表面積聚的電荷增多。在圖8(b)、(c)、(d)中,高頻時(shí)介質(zhì)表面積聚電荷量高于低頻率下,因?yàn)閮纱畏烹婇g隔的時(shí)間更長(zhǎng),雖然在這種時(shí)間尺度下表面電荷不會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減與消散[14],但空間中的帶電粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將相互中和[26],使得空間中的帶電粒子減少,降低了間隙中氣體的電離程度與間隙中殘余的帶電粒子總量,下次放電的強(qiáng)度也隨之降低,在介質(zhì)表面上積聚的電荷量也隨之減少。

從圖3、圖8(a)可以看到,在電壓幅值或頻率較低時(shí),每次放電后在介質(zhì)表面并不會(huì)出現(xiàn)明顯的電荷斑,因此在下次放電發(fā)生前,沿介質(zhì)表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的場(chǎng)強(qiáng)畸變區(qū)域,放電絲將較為均勻地分布在整個(gè)放電空間,此時(shí)放電電流的相位、幅值與脈沖數(shù)量均能保持一定的穩(wěn)定性。而在圖5(b)、圖8(c)、(d)的實(shí)驗(yàn)條件下,放電后的介質(zhì)表面出現(xiàn)了明顯的電荷斑,此時(shí)的放電電流參數(shù)也能保持一定穩(wěn)定性,其主要原因是團(tuán)聚在介質(zhì)表面的電荷與在氣隙的放電通道殘存的帶電粒子的共同作用,產(chǎn)生的反向內(nèi)建電場(chǎng)有利于下次放電更容易出現(xiàn)在該位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在這個(gè)過(guò)程中表面電荷的記憶效應(yīng)對(duì)放電的穩(wěn)定起到了關(guān)鍵性的作用。

作為惰性氣體,氦氣的亞穩(wěn)態(tài)粒子具有較高的能量(19.8 eV)，遠(yuǎn)高于空氣、氮?dú)獾萚27],因此氦氣比較容易通過(guò)彭寧電離效應(yīng)為放電提供大量的種子電子,從而降低起始放電電壓,更容易實(shí)現(xiàn)較為均勻的放電,通過(guò)表面電荷觀測(cè)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),如圖3(a)、圖8(a)所示,在外加電壓、頻率較低時(shí),整個(gè)介質(zhì)表面電荷分布均勻,放電脈沖為典型的單脈沖放電,是較為典型的均勻放電。

4 結(jié) 論

通過(guò)建立高時(shí)間分辨率介質(zhì)表面電荷光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),在常壓氦氣環(huán)境中探究了DBD在不同實(shí)驗(yàn)條件下放電形態(tài)轉(zhuǎn)變中的表面電荷分布特性,并分析了表面電荷對(duì)放電形態(tài)演變的影響,得到以下結(jié)論。

(1)在電壓頻率為15 kHz時(shí),隨著電壓幅值的提高,電流脈沖數(shù)和幅值增加,表面電荷始終均勻分布,電荷密度主要分布在10 nC/cm2以內(nèi)的密度區(qū)間上,且概率密度分布向更高的電荷密度區(qū)間上移動(dòng)。電壓幅值增大到560 V時(shí),均勻放電演變?yōu)榻z狀微放電,表面電荷分布圖中分散的高電荷密度點(diǎn)增多。

(2)在電壓頻率為40 kHz時(shí),隨著電壓幅值的提高,放電形式均為絲狀放電,表面電荷分布在更高的密度區(qū)間上。表面電荷分布從單個(gè)向多個(gè)電荷斑轉(zhuǎn)變,位置從電極邊緣向中部靠近,電流的穩(wěn)定性降低,表面電荷記憶效應(yīng)對(duì)絲狀放電的穩(wěn)定性具有重要影響,電荷密度在45 nC/cm2以上高密度區(qū)間的分布概率增大。

(3)隨著電壓頻率的增大,表面電荷分布由均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾砂叻植?產(chǎn)生的電荷斑直徑隨頻率的增大而增大,表面電荷斑電荷總量在0.5 nC以內(nèi)。在放電形式發(fā)生變化時(shí),電荷密度分布在10 nC/cm2以內(nèi)區(qū)間的概率大幅下降,在大于15 nC/cm2的區(qū)間上的分布概率增大,即絲狀放電的表面電荷斑密度高于均勻放電的電荷密度。