介质阻挡放电系统中狭缝边界内放电特性

介质阻挡放电系统中狭缝边界内放电特性

张浩1，胡轶2，董丽芳1，温玉3

(1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定071002；2.河北大学 信息技术中心，河北 保定071002；

3.河北大学 国有资产管理处，河北 保定071002)

摘要：利用双水电极介质阻挡放电装置，在空气和氩气的混合气体中，研究了狭缝边界内的放电特性.采用高速录像机对放电进行10 μs曝光录像.通过观察高速录像机短曝光录像照片，发现此放电包含体放电和沿面放电2种放电形式.采用光电倍增管采集光信号发现，随着电压的升高体放电的放电次数逐渐增加.通过观察放电照片可知，电压升高放电丝平均间距也逐渐增大，经分析得出体放电位置处壁电荷积累量逐渐增大.

关键词：体放电；沿面放电；放电次数；放电丝间距；壁电荷

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.003

中图分类号：O461.2文献标志码：A

收稿日期:2015-06-11

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11175054)；河北省科技厅重点项目(11967135D)；河北省教育厅重点项目(ZD2010140);河北大学研究生创新资助项目

Discharge character in slit boundary in

dielectric barrier discharge system

ZHANG Hao1, HU Yi2, DONG Lifang1, WEN Yu3

(1.College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China;

2.Center for Information Technology, Hebei University, Baoding 071002, China;

3.State-owned Assets Department, Hebei University, Baoding 071002, China)

Abstract:In air-argon dielectric barrier discharge system, the discharge characteristics in slit boundary are investigated by using the discharge device with two water electrodes. The 10 μs-exposed photograph shows that the discharges consist of VD and SD. Optial signals show that the discharge time of VD increases with the applied voltage increases. By observing the discharge photographs, it is found that the filaments spacing increases. And it indicates that the accumulated wall charges increase with the increase of voltage.

Key words: volume discharge; surface discharge; discharge times; filaments spacing; wall charge

第一作者：张浩(1989-)，男，河北保定人，河北大学在读硕士研究生，主要从事非线性介质阻挡放电斑图动力学研究.

通信作者：董丽芳(1963-)，女，河北保定人，河北大学教授，博士生导师，主要从事光学诊断与等离子体物理方面的研究.

E-mail:donglf @hbu.edu.cn

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)[1-2]是一种典型的非平衡态交流气体放电.在过去几十年，介质阻挡放电因其在聚合物表面改性、材料表面处理、臭氧合成、等离子体化学气相沉积等工业领域[3-7]有着广泛的应用前景，从而成为研究热点，因其能快速产生丰富多样的斑图[8-10]进一步引起了人们的关注.由于壁电荷影响着斑图的形成，近年来人们对壁电荷做了大量的实验研究.2006年，董丽芳等[11]报道了一种超四边形斑图，并讨论了壁电荷分布与斑图形成关系.2006年，Stollenwerk等[12]测量了壁电荷量并模拟了放电丝的自组织.2010年，丁伟等[13]研究了壁电荷对介质阻挡放电特性的影响.以往对介质阻挡放电系统中壁电荷的研究都是针对于只存在体放电一种放电形式的情况，对于含有沿面放电的壁电荷积累情况并未报道过.

本文介绍一种同时存在体放电和沿面放电，且每个电压周期均多次放电的情况，并对壁电荷量的积累做出讨论.此次工作对斑图动力学研究具有重要意义.

1实验装置

实验装置是由真空室、水电极、驱动电源以及数据采集系统4部分组成，如图1所示.水电极是两端被厚度为1.5 mm的石英玻璃封住且内部装满水的圆柱形容器，并且在一端用金属环引出与高压交流电源两极相连.驱动电源为高压高频的正弦交流电源，峰值电压范围为0~10 kV，频率为54 kHz.高压探头(Tektronix P6015A 1000X)用来测量放电电极两端电压.两电极平行放置，中间夹有厚度为4.6 mm、间隙为1 mm的“一”字形狭缝的玻璃框架.整个电极置于一个密封的反应室内，其内部充有氩气和空气的混合气体，气压为20 kPa.反应室两侧设有透明观察窗，一侧放有数码相机(Canon G16)和高速录像机(HSFC pro)拍照，另一侧放置光电倍增管PMT(RCA 7625)采集放电的光信号，并将光信号输入到示波器.

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

2结果与讨论

2.1　狭缝内放电演化图像及瞬时放电图像

图2a-c为介质阻挡放电系统中狭缝内放电随电压升高的演化，其中实验参数：氩气体积分数φ= 80%，外加电压的频率f=54 kHz，气体压强p=20 kPa，放电间隙d=4.6 mm，狭缝宽度L= 1 mm.在2.8~6.7 kV的外加电压下，均等的放电点等间距分布于狭缝之内.当外加电压为2.8 kV时，均等的放电点均匀且紧密的分布于放电狭缝内，同时垂直于狭缝方向上也发生放电，如图2a.随电压升高至5.1 kV，狭缝内的放电点较之前变大且相邻两放电点之间间距增大，并且此时垂直于狭缝方向的放电增强，如图2b.当外加电压进一步增加至6.7 kV时，放电点进一步变大，放电点之间的间距也增大，垂直于狭缝方向的放电进一步增强，如图2c.图2b中的照片曝光时间为25 ms，是数千次放电累积的结果.为了进一步了解狭缝内瞬时放电状态，采用高速录像机对放电进行了10 μs的短曝光录像，如图2d所示.通过观察短曝光照片发现：狭缝内的放电点为体放电，垂直于狭缝方向的放电为沿面放电.综上可知：随着外加电压的升高，体放电逐渐增强且间距增大，沿面放电也逐渐增强且放电延伸方向垂直于狭缝方向.

a-c分别是外加电压2.8 kV，5.1 kV，6.7 kV时的放电图像；d为b图像对应的10 μs曝光照片.

2.2　体放电放电次数随外加电压升高的变化

图3为不同外加电压条件下，通过光电倍增管获得的体放电的光信号.实验发现随着电压的升高，体放电的放电次数从1次、2次逐步增加至多次.众所周知，在体放电放电通道中产生的电荷会在介质表面积累，形成壁电荷，这些壁电荷会产生与外加电场相反的内建电场.在电压的上升沿，随着壁电荷的积累，内建电场和外加电场的合场强低于体放电的击穿阈值，体放电熄灭；如果在电压上升沿积累了足够多的壁电荷，在电压的下降沿随着电压的降低，内建电场与外加电场的合场强可能高于体放电击穿阈值，而在电压下降沿发生1次反向放电，也就是在1个电压周期内，1个位置最多发生2次放电.本工作中，在高电压条件下，体放电在1个周期内的放电次数达到5次甚至更多，而这正是由沿面放电的存在造成的.沿面放电会分散上1次体放电在介质板沉积的壁电荷，降低内建电场的强度.随着电压的升高，内建电场与外加电场的合场强再次高于体放电的击穿阈值，体放电再一次在上升沿发生.体放电发生后，沉积的壁电荷诱导沿面放电再一次发生，之后便相同于上一放电过程，体放电再次发生.总之，沿面放电的存在是体放电多次发生的重要原因.

2.3　相邻体放电放电间距变化及壁电荷电荷量分析

由于介质板表面积累的壁电荷为同种电荷，壁电荷之间存在排斥力，因此可以通过放电丝的平均间距的大小反映壁电荷电荷量的多少.图4为放电丝平均间距随电压的变化曲线.从图4中可以看出，随着电压的升高，放电丝之间的间距逐渐增加，也就是说体放电位置处壁电荷之间的排斥力逐渐增大，壁电荷电荷量逐渐增多,这对于研究存在沿面放电的大面积介质阻挡放电系统中的壁电荷分布具有重要意义.

图3　不同驱动电压条件下体放电光信号变化 Fig. 3　Optical signals of volume discharge with the increase of the applied voltage

图4　随电压升高相邻放电丝之间平均间距的变化 Fig. 4　Average spacing between the adjacent filaments with the increase of the applied voltage

3结论

利用双水电极介质阻挡放电装置，在空气和氩气的混合气体中，研究了狭缝边界内的放电特性.此放电包含体放电和沿面放电2种放电形式.随电压升高，体放电和沿面放电放电强度均增强，且体放电的放电次数增多，放电间距增大.经理论分析得出：沿面放电是造成体放电在1个周期内多次放电的原因；随电压升高，体放电位置处壁电荷的电荷量逐渐增加.

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(责任编辑：孟素兰)