大气压下微流注空间演化与尺度特征

俞哲,张芝涛,王加伟,赵建森

(大连海事大学物理系,辽宁大连 116026)

大气压下微流注空间演化与尺度特征

俞哲,张芝涛,王加伟,赵建森

(大连海事大学物理系,辽宁大连 116026)

针对大气压下介质阻挡放电的丝状放电模式,建立了针-板放电装置.利用CCD(charge-coup led device,电荷耦合元件),光谱相机对在不同激励电压下的放电形貌进行了采集和分析.总结了微放电模式下微流注的空间演化过程,对完全击穿时的放电形貌进行了分析,给出了描述微流注空间尺度的3个参量,并利用放电形貌图对这3个参量进行了估算,讨论3个参量随激励电压的变化规律.

微放电;介质阻挡放电;空间演化;特征尺度

介质阻挡放电(DBD,dielectric barrier discharge)作为一种可以在大气压下产生低温非平衡等离子体的放电形式,已经在国民经济各领域得到了广泛的应用[1-3].其特点是在2个金属电极之间插入至少1块绝缘介质,来限制放电电流的过快增长,避免了放电向电弧放电过渡[4].介质阻挡放电的主要模式有:丝状模式、斑图模式和扩散模式[5].而通常在大气压下,放电模式主要为丝状放电,在气隙宽度小于数毫米时,微放电的空间径向尺度小于毫米量级[6].在微观尺度下,微放电呈现出复杂的动态时空演变过程,放电通道内的电场、电子能量和电子密度等参量在数十纳秒内随轴向和径向位置的不同而高度变化,且强烈地依赖放电通道内空间电荷和电介质层表面沉积电荷的形成,这意味着单独的DBD微放电实际上是一个高气压下流注的形成与发展过程.因此,对微流注的研究有助于了解微流注内部的时空演化机制,找到影响其时空演化特性的关键因素.另外,由于大多数的物理过程和化学过程都发生在微流注发展的过程中,因此仔细研究独立微流注的性质对认识微流注的集体放电效应起着举足轻重的作用.

本文在建立针-板介质阻挡放电装置的前提下,利用CCD(charge-coup led device,电荷耦合元件)影像系统对尖端放电的微流注影像进行采集,观察到微流注的放电发展过程和放电形貌,并给出能够表示微流注放电形貌空间尺度的3个参量.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1 实验装置

图1给出的是大气中独立微放电实验系统示意图.

其中CCD照相机COOLSNAPEZ,型号为SON Y ICX285,介质片采用质量分数为99%的A l2O3,相对介电常数为10;尖端电极采用不锈钢材料制成,尖端处半径为0.05 mm,与微流注放电通道直径相当,因此在1次放电中只能允许1个微流注的存在,保证CCD相机拍到的为独立微流注;所采用的CCD相机最短曝光时间为1μs,为更好地观察到放电图像,实验中为CCD相机配置了2倍放大的微距镜头.

2 实验结果与讨论

2.1 微流注的空间演化

实验在大气中进行,放电间隙完全暴露在空气中,图2是在实验条件为激励电压3 kV,激励频率10 k Hz;介质层厚0.64 mm,放电间隙0.9 mm下,曝光时间为1μs的CCD相机拍摄的图片经过M atlab数据可视化和图像处理工具箱得到微流注放电的光辐射强度分布图,其中图上三角为显示出放电尖端电极位置,下面虚线表示陶瓷介质片表面位置.

图2 微流注发展过程Fig.2 Spatial evolution of m icro-discharge

经过大量的图片采集和处理,筛选出图2中的图片,可以清晰地看到1个微流注由雪崩到发展最终击穿的过程.当电压超过Paschen击穿电压时,由于尖端附近电场强度较高,在尖端电极附近会产生大量的激发态点电子,形成电子雪崩(图2 a),并在外加电场和本征电场的作用下向阳极发展(图2 b-g),最终完全击穿(图2 h).在微流注击穿的过程中,由于在二次电子雪崩的作用下,流注中的激发态电子密度不断增加,使得放电强度增强,电离度升高,沉积在电介质表面的沉积电荷不断增多,范围不断扩大.另外,在整个击穿后流注的光强分布来看,靠近尖端的流注内光辐射强度较高,并且向阳极方向逐渐减弱,由于流注内光的辐射强度正比于电子密度,因此,靠近尖端附近的电子密度较高,这一方面是因为尖端附近的外加电场强度较高,而且沉积在介质表面的电荷产生了方向与外加电场方向相反的静电场,使得介质表面附近的总电场减小,放电减弱,另一方面由于微流注在发展的过程中的扩散作用使得电子密度不断减小.当沉积电荷逐渐增多,反向静电场不断增强,最终导致放电间隙内的总电场小于击穿电场强度,导致放电熄灭.当微流注完全击穿时(图2 h),会发现在流注与介质板相接处的位置有许多放电的叉状分支,即放电通道的弯曲,这是由于介质层表面沉积电荷的影响所致,后文将给出解释.

2.2 微流注的空间形貌

图3所显示的是在不同激励电压下微流注完全击穿时的空间形貌.实验条件为频率10 k Hz,介质层厚0.64 mm,放电间隙0.9 mm,曝光时间1μs.实验中通过观察完全击穿时放电通道的形貌发现,放电通道并不是垂直于介质表面并且圆柱形对称的在放电间隙间传播,而是绝大多数的放电通道是向两边弯曲,即放电通道与介质面接触点在一个范围内的不同点交替出现,更多的情况是偏离尖端垂直对应的中心点,并且随着电压的增加这种现象尤为明显.这是由于沉积电荷的存在造成的.由于介质导电能力较差,电荷便沉积在介质表面,形成方向与激励电场方向相反的静电场,使放电熄灭.在第2次击穿时,沉积电荷来不及传导消散,形成的静电场依然存在,而且由于中心的沉积电荷较多静电场较强,不利于放电通道在原有位置重新形成,而是在适当的位置形成弯曲的放电通道,第3次放电时又在另一处静电场较弱的位置形成新的放电通道,形成观察到的微流注放电通道弯曲的放电现象.

图3 不同激励电压下微流注形态比较Fig.3 M icro-dischargemorphology in differen t applied voltage

2.3 微流注的空间尺度

为了准确描述微流注的空间尺度特征,这里标定了3个量,如图4.D1用来描述流注通道呈圆柱部分的直径,D2描述其独立微流注弯曲放电通道所达到最大范围的直径,h用来表示放电通道开始弯曲时的空间位置.上文中认为通道弯曲的原因是由于介质层表面的沉积电荷产生的静电场所致,因此D2和h亦可用来表示静电场所影响的最大横向范围和纵向范围.利用CCD所拍摄的图像,并通过对图像的计算,可以很容易得到这3个参量.

图5-7分别为D1,h和D23个参量随激励电压的变化规律.由于激励电压的提高,使得由于非弹性碰撞引起的电离作用增强,使得带电离子更容易向周围扩散,因此放电通道直径随着激励电压的提高而增加(图5),其值为0.04～0.2 mm.对于h和D2值,当激励电压为3 000 V时其值为0,说明当激励电压小到一定值时,介质表面沉积电荷较少,沉积电荷产生的反向电场很小,对激励电场几乎没有影响或影响范围很小.而当激励电压不断增大时,由于在放电间隙间的传输的电荷数量增多,沉积电荷的数量也随之变多,由沉积电荷产生的反向电场增大,放电通道出现明显的弯曲.

3 结论

本工作利用了针-板介质阻挡放电装置和CCD照相系统,对大气中微流注的放电形貌进行了采集和分析.实验发现,在介质表面沉积电荷的影响下,放电通道会发生不同程度的弯曲,微流注形貌表现出不同的空间尺度,计算出了描述空间尺度的3个参量D1,D2和h随着激励电压升高而增加.该实验研究对于介质阻挡放电中微放电模式的进一步研究有着重要的参考价值.

[1]王新新.介质阻挡放电及其应用[J].高电压技术,2009,35(1):1-11.

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Spatial Evolution and Characteristic Scale of Single M icro-discharge at Atmospheric Pressure

YU Zhe,ZHANG Zhi-tao,WANGJia-w ei,ZHAO Jian-sen
(Department of Physics,Dalian M aritime University,Dalian 116026,China)

M icro-discharge at atmospheric p ressu re has been observed by using p in-p lane electrodes in dielectric barrier discharge device.Dischargemo rpho logy in different applied voltage has been acquired and analyzed by CCD camera.The spatial evolution of micro-discharge was shown in this paper.After analyzing the discharge morphology,three parameterswere p roposed to depict the characteristic scale of microdischarge.The param etersw ere estim ated using the dischargemo rpho logy,and then the variation w ith the app lied vo ltage was discussed.

micro-discharge;dielectric barrier discharge;spatial evo lution;characteristic scale

O 461

A

1000-1565(2010)05-0468-04

2010-04-10

国家自然科学基金资助项目(50877005)

俞哲(1985—),男,辽宁营口人,大连海事大学在读硕士研究生.

(责任编辑:孟素兰)