超点阵斑图形成前放电丝时空特征

李媛媛,董丽芳,宋倩,肖红,岳晗

(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)

超点阵斑图形成前放电丝时空特征

李媛媛,董丽芳,宋倩,肖红,岳晗

(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)

为了更清楚地了解超点阵版图形成的规律,实验研究了介质阻挡放电中超点阵形成前放电丝的时空特征.结果发现,如果单个放电丝边界呈锯齿状,放电丝没有固定的运动方向,并且单个放电丝的放电时间间隔没有明显的长短交替行为,那么升高外加电压后斑图不会演化成超点阵斑图.如果单个放电丝的边界平滑、相互之间存在粘连并且运动方向总朝着几个固定的方向,单个放电丝的放电时间间隔有明显长短交替行为,那么升高外加电压将出现超点阵斑图.

介质阻挡放电;超点阵斑图;微放电通道;时空特征

介质阻挡放电,亦称无声放电,是一种典型的非平衡态交流气体放电过程[1].介质阻挡放电系统通常由2个平行电极组成,其中至少有1个电极上覆盖有电介质,电极两端连接外加高压交流电.当两极间的电压达到气体的击穿阈值时,气体击穿形成放电.在大气压或更高气压条件下,放电电流是由大量微放电通道(又叫放电丝)组成,这种放电模式被称为流光模式.在适当的条件下,放电丝会通过自组织形成稳定的、规则的斑图[2-4].斑图是在空间或时间上具有某种规律性的宏观结构,是由于系统中微观参量间的相互作用而导致的宏观量有序分布的状态,是一种典型的非线性自组织现象.在斑图动力学的研究中,既存在简单的斑图又存在较复杂的超点阵斑图.通常按斑图包含空间波矢数的多少,将斑图粗略地分为3类:具有单个波矢的称之为简单斑图,具有2个或2个以上的有限个波矢的超点阵斑图和准晶斑图[5]和具有无限波矢的混沌态.以往的研究对简单斑图和混沌方面的研究比较多,而对超点阵斑图的研究甚少.主要是因为它们包括多个不稳定模的激发、竞争及非线性共振相互作用过程,并且能涉及远离系统初级分叉点的非线性动力学行为,并且超点阵斑图形成的实验条件苛刻在实验中很难获得.但是,作为一类复杂的时空结构,超点阵斑图[6-7]已成为目前斑图动力学领域的一个研究热点.虽然存在于不同系统中斑图形成的具体机制不同,但斑图在形态、形成及演化上具有相似性.也正是由于这些原因,人们迫切希望获得丰富多样的超点阵斑图,并对它们进行深入研究,搞清上述多模非线性共振相互作用过程和非线性动力学行为,进而揭示斑图形成的非线性自组织规律,和推动斑图动力学研究的发展.

本工作研究了超点阵斑图形成之前的放电丝的时空特征,实验发现了几种超点阵斑图形成之前的单个微放电丝存在时空共性,这将有助于解释超点阵斑图产生的根本原因和控制超点阵的形成,这对介质阻挡放电超点阵电斑图的研究具有重要意义.

1 实验装置

实验装置如图1所示.放电电极由2个装满水的内径为70 mm的有机玻璃管组成,与高压电源两端相连的金属丝浸入到水中,有机玻璃管的两端用厚度为1.5 mm的玻璃封住,玻璃兼作介质使用.整个电极系统放入一个密封的气室中.气室中可充入比例不同的空气和氩气的混合气体.交流高压电源电压在0～10 kV可调,频率固定为55 kHz.不同形状、厚度的边界夹在介质之间.气室内的气压在0.5×105～1×105Pa内变化.其两侧设有观察窗,用数码相机(Konica Minolta Dimage Z2)从一端面拍摄放电丝的空间分布,另一端放电的光信号通过光电倍增管PM T(RCA 7625)采集并输入数字示波器(Tektronix DPO 4054,500 M Hz).使用频率为55 kHz的正弦交流电源,电压由高压探头(Tektronix P6015A 1000X)测得,并用示波器记录、存储.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimen tal setup

2 结果与讨论

实验在不同条件下得到了不能形成超点阵斑图放电丝的空间分布及其发光信号如图2,超点阵斑图和超点阵形成前放电丝的空间分布以及其单个放电丝的发光信号如图3,4.如图2为升压过程中未出现超点阵斑图,U=4.92 kV;频率f=55 k Hz;气隙间距d=2.4 mm;气压p=0.6×105Pa;空气体积分数χ=10%.

图2 升高电压过程中不出现超点阵的斑图及其单个放电丝的发光信号Fig.2 Filamen ts pattern and the waveform of optical em ission from a filament in the state from which no superlattice pattern is formed when driving voltage is incresed

实验发现在不同条件下得到的超点阵斑图在形成前在时空结构上具有一定的相似性.从简单斑图或者随机放电丝向超点阵斑图演化时,首先放电丝开始运动,这种放电丝的运动与随机放电丝的运动不同.随机放电丝的运动方向在各个方向都有可能,具有一定的随机性,从简单斑图或者随机放电丝向超点阵斑图演化时,大多数放电丝只朝着有限、固定的几个方向运动.而这几个方向正是超点阵斑图形成后波矢的方向.这种现象,可能是微放电通道在空间上发生重排过程中在宏观可视范围的一个表现.对比图2 a与图3-4 b,图2 a中的单个放电丝的边界有呈锯齿状的毛刺;图3-4 b超点阵斑图产生前的单个放电丝的边界则为平滑的曲线,并且各个放电丝间有相互粘连的行为.这种粘连行为具体表现为,相邻2个微放电之间存在有亮度较小的晕,使得原来彼此孤立的2个单个微放电通道之间的界限变得模糊.对比图2 b与图3-4 c,从时间上来看,超点阵产生前的放电丝放电时间间隔长短交替的特征更明显.在演化过程中不能够形成超点阵斑图的放电丝2次放电的时间间隔Δt相等,为一个常数.对于在升压过程可以形成超点阵斑图的单个放电丝在从简单斑图或者随机放电丝向超点阵斑图演化的过程中会出现单个放电丝放电时间间隔长短交替的现象.

图3 超六边形斑图形成前放电丝及其光信号Fig.3 Filamen ts pattern and the waveform of optica l em ission from a filament in the state from which hexagonal superlattice pattern is formed as driving voltage incresing

图4 超四边形斑图前放电丝及其光信号Fig.4 Filaments pattern and the waveform of optical em ission from a f ilament in the state from which square superlattice pattern is formed when driving voltage is incresed

众所周知,在介质阻挡放电中,由于电介质的存在,放电产生的电荷积累在介质层的表面形成壁电荷.壁电荷形成与外加电场方向相反的内建电场,其作用是熄灭本次放电.当下一个半周来临时,外加电压改变方向,内建电场与外加电场方向相同,因而其作用是促进放电.本次放电积累的壁电荷越多,下次放电需要的外加电压越低,这样形成时间上壁电荷放电的长短交替现象.超点阵形成前的放电丝呈现更明显的长短交替放电,说明介质阻挡放电中简单斑图和随机放电丝在向超点阵转化的过程中介质表面的壁电荷积累更多.

3 结论

采用介质阻挡放电装置,研究了超点阵斑图形成前微放电通道的时空特征.实验发现,如果单个放电丝边界呈锯齿状,放电丝没有固定的运动方向,放电丝的放电时间间隔没有明显的长短交替行为,那么升高外加电压后不会出现超点阵斑图.如果单个放电丝的边界平滑,相互之间存在粘连,并且运动方总朝着几个固定的方向(这几个方向就是超点阵波矢的方向),放电丝的放电时间间隔有明显长短交替行为,那么升高外加电压将出现超点阵斑图.本文对研究介质阻挡放电超点阵斑图的形成的原因和控制超点阵斑图的形成具有重要意义,同时对其他系统的超点阵斑图动力学探究也有一定的参考价值.

[1]KOGELSCHA TZ U.Filamentary,patterned,and diffuse barrier discharges[J].IEEE Transon Plasma Sci,2002,30(4):1400-1408.

[2]GUREV ICH EL,ZAN IN A L,MOSKALENKO A S.Concentric-ring patterns in a dielectric barrier discharge system[J].Phys Rev Lett,2003,91(15):154501.

[3]MULLER I,PUNSET C,AMM EL T E,et al.Selfo rganized filaments in dielectric barrier glow discharges[J].IEEE Transaction on Plasma Science,1999,27(1):20-21.

[4]ASTROV Y A,PURW INS H G.Plasma spots in a gas discharge system:Birth,scattering and fo rmation of molecules[J].Phys Lett A,2001,283:349-354.

[5]PIH J,PARK S Y,LEE J,et al.Superlattice,rhombus,square,and hexagonal standing waves in magnetically driven ferrofluid surface[J].Phys Rev Lett,2000,84(23):5316-5319.

[6]赵海涛,董丽芳,谢伟霞,等.气体成分对介质阻挡放电中超四边形斑图的影响[J].河北大学学报:自然科学版,2007,27(增):64-67.

[7]谢伟霞,董丽芳,赵海涛.气体放电超六边形斑图的时空动力学测量[J].河北大学学报:自然科学版,2007,27(增):36-38.

(责任编辑:孟素兰)

Spatial and Temporal Characteristics of the Filaments Before Superlattice Pattern Formation

LIYuan-yuan,DONGLi-fang,SONGQian,XIAO Hong,YUEHan
(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

Spatial and temporal characteristics of filaments in the state befo re superlattice pattern formation has been investigated in dielectric barrier discharge.It is found that,if individual filamentw ith serrated border,w ith no fixed direction in motion,and time intervals between two adjacent discharges are almost equal,no super-lattice pattern is fo rmed w hen the d riving vo ltage is increased.If the boundary of individual filament is smooth,time intervals between two adjacent discharge are obviously not equal,w ith dim discharge between two filaments,and fixed directions in motion,super-lattice pattern is fo rmed as the driving voltage increasing.

dielectric barrier discharge;superlattice pattern;filament;spatial and tempo ral characteristics

O 461

A

1000-1565(2010)06-0643-04

2009-11-05

国家自然科学基金资助项目(10775037);河北省自然科学基金资助项目(A 2008000564)

李媛媛(1983—),女,河北保定人,河北大学在读硕士研究生.

董丽芳(1963—),女,河北保定人,河北大学教授,博士生导师,主要从事等离子体方向研究.