介質阻擋放電中柵欄發光斑圖等離子體參量研究

張 浩,董麗芳,高 星,王 浩

(河北大學物理科學與技術學院,河北保定 071002)

介質阻擋放電中柵欄發光斑圖等離子體參量研究

張 浩,董麗芳*,高 星,王 浩

(河北大學物理科學與技術學院,河北保定 071002)

采用高速錄像機和光譜儀,研究了在雙水電極介質阻擋放電裝置中首次得到的由長短交替的棒狀放電結構組成的柵欄斑圖。通過觀察20μs曝光錄像照片發現柵欄斑圖由體放電和沿面放電組成。采用發射光譜法,利用N2第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的發射譜線和ArⅠ(2P2→1S5)譜線的展寬,分別測量和比較了不同體放電和沿面放電不同位置處的分子振動溫度和電子密度。結果發現:斑圖中具有較強沿面放電的體放電比具有較弱沿面放電的體放電擁有較高的分子振動溫度和電子密度;在沿面放電的方向上,沿面放電的分子振動溫度和電子密度均逐漸降低。理論分析證明,壁電荷在狹縫內的非等量分布是影響柵欄斑圖形成的主要因素。

介質阻擋放電;柵欄發光斑圖;分子振動溫度;電子密度

1 引 言

介質阻擋放電是一種交流電壓驅動的非平衡態氣體放電[1-2]。在過去幾十年,介質阻擋放電因其在聚合物表面改性、材料表面處理、臭氧合成、等離子體化學氣相沉積等工業領域[3-8]有著廣泛的應用而成為一個研究熱點。

近年來,介質阻擋放電因其能快速產生豐富多樣的斑圖[9-10]而再一次引起了人們的關注。2000年,Walhout小組報道了一種靜態的一維放電斑圖并對其時空結構進行了研究。2004年, Purwins報道了一種動態斑圖,該斑圖中放電絲按六邊形排列并且發生旋轉。近十幾年,本小組報道了超點陣、格子態、螺旋波、條紋斑圖等種類繁多的斑圖,引起國內外同行的廣泛關注。

在介質阻擋放電系統中,當電極間電壓達到氣體放電的擊穿閾值時,放電氣隙內氣體會被擊穿而形成垂直于介質板方向的圓柱形體放電。這些體放電通道之間存在庫侖力和洛倫茲力,在二力的共同作用下放電絲會自組織成在時間或空間規律分布的穩定結構。隨著體放電的進行,體放電通道中傳輸的電荷會在介質表面沉積形成壁電荷,并且壁電荷對之后體放電的產生具有重要影響[11]。近年研究發現,當壁電荷達到一定量后會產生一種平行于介質面方向的沿面放電。隨著沿面放電的進行,體放電位置處沉積的壁電荷會被逐漸分散,造成介質表面的壁電荷分布發生變化,進而影響斑圖的形成。因此為了更進一步研究斑圖形成,對于沿面放電的研究就顯得尤為重要。

以往的研究已證實,沿面放電之間具有相互抑制的作用[12]。為了更大限度地得到沿面放電,對沿面放電進行更深入研究。本文選用一維狹縫作為放電邊界,減少沿面放電受抑制的維度,從而得到柵欄斑圖。在柵欄斑圖中,體放電等間距分布在狹縫之間,沿面放電的放電方向與狹縫方向相垂直,并且其放電強度存在強弱交替的現象。

采用高速錄像機獲得了柵欄斑圖的短曝光照片,利用發射光譜法研究了斑圖中體放電和沿面放電的分子振動溫度與電子密度,并對柵欄斑圖的形成機理做出了解釋。

2 實 驗

如圖1所示,實驗裝置是由放電室、水電極、高壓驅動電源以及數據采集系統4部分組成。放電室設有入氣口和出氣口,并連接氣壓壓力計來檢測其內部氣壓值。圓柱形容器兩端被厚度為1.8 mm的石英玻璃封住,并在其內部充滿水,即為本實驗所用水電極。兩個水電極分別用金屬環引出與高壓交流電源兩極相連,本實驗將驅動頻率設定為54 kHz,電壓在0～12 kV范圍內可調。高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)連接水電極的兩端,其信號被輸入示波器以用來監測和記錄放電電極兩端電壓。兩電極平行放置,中間夾有厚度為4.6 mm、間隙為1 mm的“一”字形狹縫的玻璃框架。整個電極置于上述放電室內,放電室內部充滿氬氣和空氣的混合氣體且氣壓維持在20 kPa,其中氬氣所占體積分數為96%。反應室兩側設有透明觀察窗,一側放有數碼相機(Canon G16)和高速錄像機(HSFC pro)對發光斑圖進行拍照和短曝光錄像,另一側放置透鏡和光譜儀(ACTON SP-2758,CCD:1 340×400 pixels,光柵: 300,1 800,2 400 lp/mm)對發光斑圖進行光譜診斷。氣體放電發出的光經透鏡會聚后,由光纖導入光譜儀并由計算機采集和存儲,可以通過移動光纖探頭采集不同位置發射的光。

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

3 結果與討論

3.1 放電斑圖演化序列

圖2展示的是隨外加電壓升高,狹縫邊界內放電結構的演化序列。當外加電壓達到1.36 kV時,狹縫放電區域內首先出現等間距的放電點;當外加電壓達到2.86 kV時,開始產生垂直于狹縫方向的等長度棒狀放電,此時放電點變大且間距增大;隨著外加電壓增加至4.52 kV,等長度棒狀放電開始分化為長短交替的棒狀放電;當外加電壓進一步增加至5.6 kV時,長短交替的棒狀放電達到穩定,同時放電點也是大小交替存在,由于其形狀類似柵欄,因此稱之為柵欄斑圖。

圖2 柵欄發光斑圖隨電壓升高的演化序列。實驗參數:氬氣體積分數96%,外加電壓驅動頻率f=54 kHz,氣壓P=20 kPa,氣隙厚度d=4.6 mm,狹縫寬度L=1 mm,照片曝光時間t=25 ms.Fig.2 Evolution of fence pattern in air-argon dielectric barrier discharge with the increase of applied voltage. Experimental parameters:the argon volume fraction φ=96%,driving frequency f=54 kHz,gas pressure P=20 kPa,gas gap d=4.6 mm,width of slit L=1 mm,exposure time of photographs t=25 ms.

3.2 斑圖短曝光錄像

圖2中相機曝光時間為25 ms,照片是數千次放電累積的結果。為了更好地了解柵欄斑圖的放電過程,需要對放電進行短曝光拍攝。將高速錄像機曝光時間設置為20μs對圖2(d)中柵欄斑圖進行錄像。通過觀察錄像照片,我們發現柵欄斑圖中亮點和棒狀放電結構分別為體放電和沿面放電。A和B兩種體放電大小不等且伴隨的沿面放電也強弱不同。沿面放電的放電強度從中心到邊緣逐漸降低,如圖3所示。

圖3 曝光時間為20μs的照片Fig.3 Picture taken by a high speed video camera,and the exposure time of photograph t=20μs.

3.3 等離子體參數研究

在圖3中可以明顯觀察到A、B兩點大小不同且亮度存在差異,以上差異表明A、B兩點所處的等離子體狀態可能不同。因此我們采用發射光譜法,研究了A和B兩位置處體放電分子振動溫度和電子密度的大小。選擇光譜儀的300 G/mm光柵采集氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)譜線,并利用氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)譜線中的370.9,375.4,380.4,394.2,399.7,405.8 nm位置處的6條譜線計算分子振動溫度的大小。選擇光譜儀的2 400 lp/mm光柵采集氬原子696.57 nm(2P2→1S5)譜線,并通過譜線的展寬比較電子密度的大小。

圖4為A和B兩體放電位置處波長在360～420 nm內的光譜譜線。從圖中光譜譜線可看出, A點的發光強度大約為B點的2倍。經過計算發現,A點的分子振動溫度約為3 040 K,要比B點的分子振動溫度2 570 K高近500 K。

圖4 柵欄發光斑圖中A和B在360～420 nm處的發射譜線Fig.4 Molecular vibrational temperature corresponding to A and B in fence pattern

圖5為歸一化后的A、B兩體放電位置處的ArⅠ696.5 nm譜線,其中右上角為譜線右支方框區域的放大圖。在放電等離子體中,由于Stark效應,非氫原子ArⅠ(2P2→1S5)發射譜線的展寬與體放電通道內的電子密度近似成正比。所以,可通過原子發射譜線696.5 nm處展寬的大小來反映電子密度的大小。從圖中可以看出,A點的譜線展寬大于B點的譜線展寬,這反映出A點位置處體放電通道中的電子密度要比B點大。壁電荷是放電通道中電荷在介質表面沉積造成的,則可根據A放電通道電子密度比B大得出在A點沉積的壁電荷要比B點多。

圖5 柵欄發光斑圖中A和B在氬原子696.5 nm處的譜線Fig.5 Profiles of the spectral line 696.5 nm of A and B in fence pattern

眾所周知,沿面放電是由沉積在介質板表面的壁電荷誘導產生的。當沉積在介質板表面的壁電荷產生的平行于玻璃介質表面方向的電場超過一個臨界值時,就會產生沿著玻璃表面的沿面放電,并且壁電荷越多,沿面放電越強。同時沿面放電之間存在相互抑制作用,則沿面放電會朝著受抑制弱的方向(即垂直狹縫的方向)放電,形成肉眼所看到的棒狀放電結構。經過以上分析發現,正是介質表面上壁電荷在狹縫內的非等量分布造成了沿面放電強度強弱交替的出現,影響了柵欄斑圖的形成。

壁電荷影響著沿面放電,同時沿面放電對壁電荷分布和斑圖的形成也具有重大影響,因此對沿面放電的研究也十分重要。在柵欄斑圖中,沿面放電被近似地限制在一維方向上,這為測量沿面放電方向上沿面放電等離子體參量變化提供了方便。分別對圖3中標識的1,2,3,4,5這5個位置處等離子體的分子振動溫度和電子密度進行了測量和比較,其中1,2,3,4,5代表的實際位置分別為距離體放電0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 cm。對于實際距離的測量是通過斑圖通過透鏡成像于坐標紙上,再根據光譜采集點的坐標與實際裝置的比例得到的。

圖6給出了上述5個位置處沿面放電的分子振動溫度。由圖可見,沿面放電的分子振動溫度從3 600 K逐漸降低至2 800 K,也就是說在沿面放電的方向上,分子振動溫度逐漸降低。

圖6 不同位置處沿面放電分子振動溫度的變化Fig.6 Molecular vibrational temperature corresponding to different position of surface discharge

圖7給出了上述5個位置處沿面放電696.5 nm處發射譜線展寬的變化。由圖可見,在沿面放電的方向上,譜線的展寬逐漸減小,反映出電子密度逐漸降低。這為以后對沿面放電不同位置處等離子參量的研究提供了重要的參考依據。

圖7 不同位置處沿面放電696.5 nm處譜線展寬的變化Fig.7 Broadenings of spectral line 696.5 nm corresponding to different position of surface discharge

4 結 論

采用高速錄像機和光譜儀,研究了在雙水電極介質阻擋放電裝置中首次得到的由長短交替的棒狀放電結構組成的柵欄斑圖。實驗發現,柵欄斑圖包含體放電和沿面放電兩種放電形式,且棒狀結構是由沿面放電受到抑制作用后形成的。利用發射光譜法對其等離子體參數進行研究發現:斑圖中具有較強沿面放電的體放電比具有較弱沿面放電的體放電擁有較高的分子振動溫度和電子密度;在沿面放電的方向上,沿面放電的分子振動溫度和電子密度均逐漸降低。理論分析證明,壁電荷在狹縫內的非等量分布是影響柵欄斑圖形成的主要因素。

參 考 文 獻:

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Investigation on The Plasma Parameters of The Fence Pattern in Dielectric Barrier Discharge

ZHANG Hao,DONG Li-fang*,GAO Xing,WANG Hao

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)
*Corresponding Author,E-mail:donglf@hbu.edu.cn

The fence pattern that consists of volume discharges(VDs)and surface discharges (SDs)is observed by using the dielectric barrier discharge device with two water electrodes.The VDs uniformly distribute along the slit,and SDs are perpendicular to the slit and own two kinds of intensity.The short-exposed photograph is obtained by a high speed video camera.The plasma parameters of fence pattern are investigated by spectrograph.The emission spectra of the N2second positive band(C3Πu→B3Πg)is collected,and themolecule vibrational temperature is calculated by the emission intensities.Furthermore,the width of ArⅠ696.5 nm is used to estimate the electron density.The results show that the volume dischargeswith strong surface discharges have highermolecule vibrational temperature and higher electron density than those with less surface discharge.Besides,along the surface discharge direction,surface discharge's molecule vibrational temperature and the electron density gradually decrease.The unequivalent distribution of the wall charges contributes to the formation of fence pattern.

dielectric barrier discharge;fence pattern;molecular vibrational temperature;electron density

張浩(1989-),男,河北保定人,碩士研究生,2013年于河北大學獲得學士學位,主要從事非線性介質阻擋放電斑圖動力學的研究。E-mail:m15130248376@163.com

董麗芳(1963-),女,河北保定人,教授,博士生導師,1994年于中科院物理研究所獲得博士學位,主要從事光學、等離子體等方面的研究。E-mail:donglf@hbu.edu.cn

O461

A

10.3788/fgxb20153612.1440

1000-7032(2015)12-1440-05

2015-08-28;

2015-09-24

國家自然科學基金(11375051);河北省教育廳重點項目(ZD2010140)資助