介質阻擋放電中的八邊形結構

趙龍虎，董麗芳，狄聰，張新普，張超

（河北大學 物理科學與技術學院 ，河北 保定 071002）

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge）［1－2］又稱無聲放電，是一種典型的非平衡態交流氣體放電，其運行過程為準連續的瞬態過程.近年來，大氣壓介質阻擋放電以其成本低、裝置簡單、應用領域廣泛等特點，引起了學者們的研究熱潮，并在臭氧的合成、等離子體化學氣相沉積、等離子體顯示器、環境污染處理、局部材料生長等工業領域得到了廣泛的應用［3－9］.介質阻擋放電通常由大量微放電通道組成［10］，在一定的條件下，這些微放電通道可形成穩定的空間分布即斑圖.

斑圖（pattern）［11］是指在時間或空間上具有某種規律性的非均勻宏觀結構，是由系統中的微觀參量之間的相互作用而導致的宏觀量有序分布的狀態，是一種典型的非線性自組織現象［12］.近年來，在介質阻擋放電系統中發現了種類多樣的斑圖，如：四邊形斑圖、六邊形斑圖、螺旋波斑圖、條紋斑圖以及多種超點陣斑圖等等.以上這些斑圖都是在放電間隙d值較小的實驗條件下得到的，對在d值較大的實驗條件下的斑圖研究甚少.

本實驗是在d值較大的實驗條件下進行的，首次發現了穩定的八邊形結構：在一定的放電區域內，其放電絲密度小、半徑大、排列規則，并有且僅有1個單元的八邊形結構，是以往斑圖研究中未曾報道過的.該結構不僅豐富了介質阻擋放電系統中的斑圖種類，還進一步拓展了在d值較大的實驗條件下的斑圖研究，并對今后在d值較大的實驗條件下的斑圖研究有一定的推動作用.

1 實驗裝置

該實驗使用雙水電極實驗裝置［13］，如圖1所示.水電極是由2個裝滿水的內徑為70mm的圓柱形容器組成，其兩端與高壓交流電源連接的金屬環浸在水中.容器兩端分別用厚度為1.5mm的干板和2.0mm的普通玻璃封住，作為介質層.2個水電極之間的放電間隙是可調的，但該實驗采用的是放電間隙d＝3.8mm、邊長L＝12mm的八邊形框架.整個放電裝置處于真空室內，放電氣體是純氬氣，氣壓控制在60kPa.交流電源的可調范圍是0～10kV，高壓探頭（Tektronix P6015A1000X）用于測量電壓幅值，驅動電源頻率一般在55～60kHz，其數值可以通過示波器（Tektronix TDS3054B）讀出，用數碼相機（Canon Powershot G1）拍攝斑圖的演化過程.通過透鏡系統可以測量1個或多個放電絲的光信號，并由光電倍增管PMT（RCA 7625）采集和示波器記錄.

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 實驗結果與討論

實驗使用了放電間隙d＝3.8mm的八邊形框架，因為d值較大，所以實驗首先需要在高壓下演化一小段時間，看到大半徑放電絲出現即可.圖2是隨電壓升高過程中八邊形結構的演化序列，依次為：隨機分布放電絲－大半徑放電絲－八邊形結構－失穩的八邊形結構.當氣體擊穿后，首先出現的是若干隨機分布放電絲，如圖2a所示.隨著電壓的升高，隨機放電絲的半徑和亮度都會有所增加，進而形成大半徑放電絲，如圖2b所示.隨著電壓的繼續升高，大半徑放電絲開始自組織排列并占滿整個放電區域，形成如圖2c所示的八邊形結構.在此基礎上電壓進一步升高，八邊形結構失穩，如圖2d所示.實驗將八邊形結構分成了2部分：一部分是圖2c中的線八邊形；另一部分是圖2c中的9個大半徑放電絲.

在d值較大的實驗條件下，隨著電壓的增加，八邊形結構的單元數量是不會增加的，有且僅有1個單元的八邊形結構；放電絲的半徑、亮度及放電絲與放電絲之間的距離都比以往斑圖中的放電絲要大；大半徑放電絲不僅比其他斑圖中的放電絲半徑要大，而且還有一定的勢力范圍.如圖2c所示，中間的大半徑放電絲的勢力范圍最大，正是由于這種特性，使9個大半徑放電絲規則的占滿整個放電區域，形成有且僅有1個單元的八邊形結構.

通過對八邊形結構進行時空相關性測量，筆者研究了八邊形結構的時空動力學.首先對圖2c中的線八邊形的不同位置進行了光信號測量，測量發現線八邊形的不同位置是同時放電的，如圖3c所示.然后，對9個大半徑放電絲進行了光信號測量，測量發現9個大半徑放電絲也是同時放電的，如圖3d所示.通過對圖3的光信號分析，結果得出在每半個電壓周期內有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個大半徑放電絲同時放電.

圖2 隨著電壓的升高，介質阻擋放電系統中八邊形結構的演化序列Fig.2 Octagon structure scenario with the applied voltage increasing

圖3 通過介質阻擋放電裝置，對八邊形結構進行時空相關性測量Fig.3 Correlation measurements of the octagon structure in dielectric barrier discharge

實驗測量了八邊形結構隨空氣體積分數（0≤χ≤2%）和外加電壓變化的相圖，圖4所示.由圖顯見，隨空氣體積分數的增加，產生八邊形結構的外加電壓也相應增加.當空氣體積分數不在這個范圍時，就很難得到八邊形結構了.實驗還測量了八邊形結構隨氣體壓強和外加電壓變化的相圖，如圖5所示.由圖顯見，隨著氣體壓強的增加，產生八邊形結構的外加電壓也相應的增加.當氣體壓強在40kPa≤p≤60kPa范圍時，八邊形結構容易獲得，當氣體壓強不在這個范圍時，就很難得到八邊形結構了.

圖4 隨外加電壓和空氣體積分數變化斑圖出現的相圖Fig.4 Phase diagram of the pattern types as a function of the applied voltage and air concentration

圖5 隨外加電壓和氣體壓強變化八邊形結構出現的相圖Fig.5 Phase diagram of the octagon structure as a function of the applied voltage and gas pressure

3 結論

實驗采用雙水電極介質阻擋放電裝置，在放電間隙d值較大的實驗條件下首次得到了穩定的八邊形結構，并對其演化序列和時空動力學進行了研究.實驗在演化過程中得到了大半徑放電絲，大半徑放電絲有一定的勢力范圍，由于中間的大半徑放電絲的勢力范圍最大，使9個大半徑放電絲規則的占滿整個放電區域，形成了有且僅有1個單元的八邊形結構.八邊形結構在每半個電壓周期內有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個大半徑放電絲同時放電.空氣體積分數和氣體壓強的變化分別對八邊形結構的存在有一定的依賴，隨著空氣體積分數（0≤χ≤2%）的增加，外加電壓也相應的增加；隨著氣體壓強（40kPa≤p≤60kPa）的增加，外加電壓也相應的增加.實驗結果對在d值較大實驗條件下的斑圖研究有了進一步的拓展，并對今后在該領域的理論和應用有著重要的參考價值.

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