介質阻擋放電中白眼超點陣同心圓環發光斑圖

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 物理科學與技術學院， 河北 保定 071002)

1 引 言

介質阻擋放電(Dielectric barrier discharge，DBD)是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡態氣體放電[1-4]。介質阻擋放電不僅具有裝置操作方便、造價低、結構簡單等顯著優點，而且還可以在大氣壓或者近大氣壓條件下工作，所以被廣泛應用于工業生產中[5-7]。介質阻擋放電系統作為一種非線性系統，在該系統中產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律性的結構，是一種典型的非線性自組織現象，廣泛存在于自然界和實驗系統。如動物體表花紋、法拉第系統、化學反應擴散系統、介質阻擋放電系統[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系統內獲得了各種類型的斑圖，如四邊形、超點陣四邊形、六邊形、超點陣六邊形、蜂窩六邊形斑圖等，但對于同心圓環的報道相對比較少。2003年，Purwins在DBD系統中發現了具有反演特性的同心圓環斑圖[19]；2011年，Liu等在DBD系統中發現了隨著外加電壓的增加，圓環數目發生變化的疏密點同心圓環[20]；2016年，Feng等在DBD系統中發現了同心圓環斑圖，通過高速照相機研究斑圖的時空結構發現該斑圖由同心圓環、同心蜂窩框架和同心點陣三套子結構嵌套形成[21]。

近些年來白眼斑圖和黑眼斑圖作為一種復雜的斑圖受到研究者們的廣泛關注，Yang等觀察到了黑眼斑圖并利用反應擴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,周圍被黑環和白環圍繞的一種結構[22]。Zhao等研究了白眼六邊形斑圖，發現它是由點、環、暈三套子結構組成[23]。本工作發現了由點陣圓環和白眼圓環嵌套形成的白眼超點陣同心圓環發光斑圖。

本實驗首次在DBD系統中發現了白眼超點陣同心圓環發光斑圖。通過研究該斑圖的時空動力學，發現該斑圖由三套子結構嵌套而成，分別是點陣圓環、白眼中心點圓環、白眼暈圓環。使用高速照相機對斑圖進行分脈沖拍攝研究斑圖的時空結構；使用高速錄像機研究斑圖在短曝光時間內的微觀放電特性，發現每個體放電都伴隨沿面放電；使用光電倍增光對不同結構進行時間相關性的測量。該結果不僅補充了介質阻擋放電系統中斑圖的類型，而且推動了壁電荷理論對斑圖形成的解釋。

2 實 驗

實驗裝置如圖1所示。兩個浸有銅圓環的圓柱，在其中注入水，兩端用玻璃板密封，作為水電極。兩個水電極中的銅圓環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。密閉容器連接真空泵和氬氣罐，通過調控氬氣和空氣的比例以及容器內的壓強來調控斑圖的變化。本實驗在兩個水電極之間放入了一個半徑R=1.55 cm、厚度T=2.6 mm的圓形邊界玻璃片,作為放電介質。密閉容器內氬氣含量為84.85%，壓強為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，用數碼相機(Canon PowershotG16)拍攝斑圖的演化序列，并用數字示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz)記錄電流-電壓波形情況。用高速照相機(HSFC Pro,3channels)分脈沖拍攝瞬時照片研究斑圖的時空結構。將光電倍增PMT(RCA7625)采集的光信號輸入到示波器記錄并存儲來研究不同結構上放電絲的時間相關性。用高速錄像機研究了斑圖在短曝光時間內的微觀放電行為。

圖1 實驗裝置示意圖

3 結果與討論

圖2是本實驗獲得的白眼超點陣同心圓環發光斑圖的演化序列。當外加電壓為1.92 kV時，氣體被擊穿出現隨機放電絲,如圖2(a)；增加電壓至2.32 kV出現同心圓環，如圖2(b)；當電壓加到3.20 kV時，出現了本文研究的白眼超點陣同心圓環發光斑圖，如圖2(c)所示，在該斑圖中，從中心開始計數，用O表示奇數圈圓環中的放電絲，E表示偶數圈白眼中心點放電絲，H表示白眼暈；當電壓升到4.16 kV時，斑圖變成混沌態，如圖2(d)所示。

圖2 隨外加電壓增加斑圖的演化序列。(a)隨機放電絲，V=1.92 kV;(b)同心圓環，V=2.32 kV;(c)白眼超點陣同心圓環發光斑圖，V=3.20 kV;(d)混沌態,V=4.16 kV。其他實驗參數：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.

為了進一步研究該斑圖的時空結構，使用多通道高速照相機對斑圖進行分脈沖拍攝，如圖3所示。圖3(a)是半個周期內的電流電壓脈沖圖；圖3(b)～(d)是高速照相機分脈沖拍攝的疊加50個周期染色后的圖片，3個電流脈沖的曝光時間分別是Δt1=1 010 ns,Δt2=1 950 ns,Δt3=670 ns；圖3(e)是前3個脈沖的疊加。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。另外還可以發現放電絲E和放電絲O、暈H的放電形式均為體放電。對比圖3(c)和圖3(e)中黃色方框圈出的部分，可以發現部分放電絲O與暈H重合。

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

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.

實驗進一步利用更為靈敏的光電倍增管對放電絲O位置處的放電特性進行研究，如圖4所示。發現兩種情況:第一，如圖4(a)所示，放電絲O位置處的光信號首先在電壓上升沿的第一個電流脈沖放電之后，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不能將下降沿放電的放電絲O與E分開，本實驗用兩個光電倍增管同時測量研究放電絲O和放電絲E的時間相關性，結果如圖5所示。

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

圖4 放電絲O位置處的光信號的測量，V為電壓曲線，I為電流曲線，A對應放電絲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光信號相關性測量

本實驗接著使用高速錄像機拍攝不同曝光時間的錄像照片，選取了曝光10 μs和20 μs下的兩張照片，如圖6所示，觀察發現每個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

根據以上實驗所得到的結果，利用壁電荷理論可以解釋說明該斑圖的形成機制[25]。首先放電絲O在電壓上升沿的第一個脈沖放電，放電產生的電荷在外加電場的作用下向兩極運動，最終積累在電介質表面形成壁電荷，此時會形成一個與外加電場方向相反的內建電場Ec來阻礙這次放電。繼續加壓，距離放電絲O越近的地方禁阻作用越強，越遠禁阻作用越弱，所以距離放電絲O較遠的區域會出現放電絲形成暈H。暈H積累的壁電荷形成壁電荷場Eh，暈H放電所需要的電壓高，所以Eh>Ec。在介質板上積累的壁電荷會形成兩個方向的電場，除了與外加電場方向相反的電場，另一個是與介質面平行的電場，被稱為橫向電場。由于橫向電場足夠大，所以在平行介質板的方向上有沿面放電的存在，研究發現沿面放電是由體放電誘導產生的[26]。暈H放電結束后整個極板上的壁電荷場與外加電場方向相反，會抑制放電，最終熄滅放電。在電壓下降沿,隨著外加電場變弱,電壓下降沿的放電主要由上半周期內沉積的壁電荷所主導，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。由于沿面放電對表面壁電荷有重排作用，所以導致了放電絲O與放電絲E在電壓下降沿放電順序隨機。

4 結 論

本實驗在空氣和氬氣的混合氣體中，首次發現了白眼超點陣同心圓環發光斑圖。該斑圖由奇數圈的點陣圓環和偶數圈的白眼圓環嵌套而成。用高速照相機和光電倍增管以及高速錄像機對該斑圖的時空動力學進行研究，發現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；暈在奇數圈的隨機性導致部分放電絲O與暈H重合，進一步導致了部分放電絲O在電壓下降沿的放電；該斑圖的每個體放電都伴隨沿面放電，沿面放電對壁電荷的重排作用導致了放電絲O與放電絲E在下降沿放電順序的隨機性。該實驗結果不僅擴充了介質阻擋放電系統中發光斑圖類型，而且推動了壁電荷理論對斑圖形成機制的解釋。