趙龍虎，董麗芳，狄聰，張新普，張超

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ，河北 保定 071002）

介質(zhì)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(tài)交流氣體放電，其運(yùn)行過程為準(zhǔn)連續(xù)的瞬態(tài)過程.近年來，大氣壓介質(zhì)阻擋放電以其成本低、裝置簡(jiǎn)單、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)，引起了學(xué)者們的研究熱潮，并在臭氧的合成、等離子體化學(xué)氣相沉積、等離子體顯示器、環(huán)境污染處理、局部材料生長(zhǎng)等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3－9］.介質(zhì)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(wěn)定的空間分布即斑圖.

斑圖（pattern）［11］是指在時(shí)間或空間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)，是由系統(tǒng)中的微觀參量之間的相互作用而導(dǎo)致的宏觀量有序分布的狀態(tài)，是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象［12］.近年來，在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)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(diǎn)陣斑圖等等.以上這些斑圖都是在放電間隙d值較小的實(shí)驗(yàn)條件下得到的，對(duì)在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究甚少.

本實(shí)驗(yàn)是在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，首次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的八邊形結(jié)構(gòu)：在一定的放電區(qū)域內(nèi)，其放電絲密度小、半徑大、排列規(guī)則，并有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu)，是以往斑圖研究中未曾報(bào)道過的.該結(jié)構(gòu)不僅豐富了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的斑圖種類，還進(jìn)一步拓展了在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究，并對(duì)今后在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究有一定的推動(dòng)作用.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)使用雙水電極實(shí)驗(yàn)裝置［13］，如圖1所示.水電極是由2個(gè)裝滿水的內(nèi)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(huán)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(zhì)層.2個(gè)水電極之間的放電間隙是可調(diào)的，但該實(shí)驗(yàn)采用的是放電間隙d＝3.8mm、邊長(zhǎng)L＝12mm的八邊形框架.整個(gè)放電裝置處于真空室內(nèi)，放電氣體是純氬氣，氣壓控制在60kPa.交流電源的可調(diào)范圍是0～10kV，高壓探頭（Tektronix P6015A1000X）用于測(cè)量電壓幅值，驅(qū)動(dòng)電源頻率一般在55～60kHz，其數(shù)值可以通過示波器（Tektronix TDS3054B）讀出，用數(shù)碼相機(jī)（Canon Powershot G1）拍攝斑圖的演化過程.通過透鏡系統(tǒng)可以測(cè)量1個(gè)或多個(gè)放電絲的光信號(hào)，并由光電倍增管PMT（RCA 7625）采集和示波器記錄.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)使用了放電間隙d＝3.8mm的八邊形框架，因?yàn)閐值較大，所以實(shí)驗(yàn)首先需要在高壓下演化一小段時(shí)間，看到大半徑放電絲出現(xiàn)即可.圖2是隨電壓升高過程中八邊形結(jié)構(gòu)的演化序列，依次為：隨機(jī)分布放電絲－大半徑放電絲－八邊形結(jié)構(gòu)－失穩(wěn)的八邊形結(jié)構(gòu).當(dāng)氣體擊穿后，首先出現(xiàn)的是若干隨機(jī)分布放電絲，如圖2a所示.隨著電壓的升高，隨機(jī)放電絲的半徑和亮度都會(huì)有所增加，進(jìn)而形成大半徑放電絲，如圖2b所示.隨著電壓的繼續(xù)升高，大半徑放電絲開始自組織排列并占滿整個(gè)放電區(qū)域，形成如圖2c所示的八邊形結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上電壓進(jìn)一步升高，八邊形結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如圖2d所示.實(shí)驗(yàn)將八邊形結(jié)構(gòu)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(gè)大半徑放電絲.

在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著電壓的增加，八邊形結(jié)構(gòu)的單元數(shù)量是不會(huì)增加的，有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu)；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(shì)力范圍.如圖2c所示，中間的大半徑放電絲的勢(shì)力范圍最大，正是由于這種特性，使9個(gè)大半徑放電絲規(guī)則的占滿整個(gè)放電區(qū)域，形成有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu).

通過對(duì)八邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)性測(cè)量，筆者研究了八邊形結(jié)構(gòu)的時(shí)空動(dòng)力學(xué).首先對(duì)圖2c中的線八邊形的不同位置進(jìn)行了光信號(hào)測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)線八邊形的不同位置是同時(shí)放電的，如圖3c所示.然后，對(duì)9個(gè)大半徑放電絲進(jìn)行了光信號(hào)測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)9個(gè)大半徑放電絲也是同時(shí)放電的，如圖3d所示.通過對(duì)圖3的光信號(hào)分析，結(jié)果得出在每半個(gè)電壓周期內(nèi)有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個(gè)大半徑放電絲同時(shí)放電.

圖2 隨著電壓的升高，介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中八邊形結(jié)構(gòu)的演化序列Fig.2 Octagon structure scenario with the applied voltage increasing

圖3 通過介質(zhì)阻擋放電裝置，對(duì)八邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)性測(cè)量Fig.3 Correlation measurements of the octagon structure in dielectric barrier discharge

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了八邊形結(jié)構(gòu)隨空氣體積分?jǐn)?shù)（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?jǐn)?shù)的增加，產(chǎn)生八邊形結(jié)構(gòu)的外加電壓也相應(yīng)增加.當(dāng)空氣體積分?jǐn)?shù)不在這個(gè)范圍時(shí)，就很難得到八邊形結(jié)構(gòu)了.實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了八邊形結(jié)構(gòu)隨氣體壓強(qiáng)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(qiáng)的增加，產(chǎn)生八邊形結(jié)構(gòu)的外加電壓也相應(yīng)的增加.當(dāng)氣體壓強(qiáng)在40kPa≤p≤60kPa范圍時(shí)，八邊形結(jié)構(gòu)容易獲得，當(dāng)氣體壓強(qiáng)不在這個(gè)范圍時(shí)，就很難得到八邊形結(jié)構(gòu)了.

圖4 隨外加電壓和空氣體積分?jǐn)?shù)變化斑圖出現(xiàn)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(qiáng)變化八邊形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的相圖Fig.5 Phase diagram of the octagon structure as a function of the applied voltage and gas pressure

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，在放電間隙d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下首次得到了穩(wěn)定的八邊形結(jié)構(gòu)，并對(duì)其演化序列和時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)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(shì)力范圍，由于中間的大半徑放電絲的勢(shì)力范圍最大，使9個(gè)大半徑放電絲規(guī)則的占滿整個(gè)放電區(qū)域，形成了有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu).八邊形結(jié)構(gòu)在每半個(gè)電壓周期內(nèi)有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個(gè)大半徑放電絲同時(shí)放電.空氣體積分?jǐn)?shù)和氣體壓強(qiáng)的變化分別對(duì)八邊形結(jié)構(gòu)的存在有一定的依賴，隨著空氣體積分?jǐn)?shù)（0≤χ≤2%）的增加，外加電壓也相應(yīng)的增加；隨著氣體壓強(qiáng)（40kPa≤p≤60kPa）的增加，外加電壓也相應(yīng)的增加.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)在d值較大實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究有了進(jìn)一步的拓展，并對(duì)今后在該領(lǐng)域的理論和應(yīng)用有著重要的參考價(jià)值.

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