介质阻挡放电系统中带晕蜂窝六边形发光斑图

于广林， 董丽芳， 窦亚亚, 孙浩洋, 米彦霖

(河北大学 物理科学与技术学院， 河北 保定 071002 )

1 引 言

斑图是指在空间或时间上具有某种规律的非均匀宏观结构，是一种非平衡态自组织现象。斑图在自然界中广泛存在，也存在于多种实验室系统中。研究者们在不同系统中都观察到了斑图，例如对流斑图[1-2]、化学反应扩散系统斑图[3-4]、非线性光学斑图[5-6]以及介质阻挡放电系统斑图。介质阻挡放电是一种典型的非平衡态交流气体放电,由于其装置简单、操作方便且成本低，在众多领域当中被广泛地应用[7-13]。近年来，介质阻挡放电系统因观察到各种各样的稳定性较好且形成过程较快的发光斑图而备受关注[14-15]。采用光学手段对介质阻挡放电系统中发光斑图的时空动力学进行研究。例如本实验小组在之前的工作中研究的新型超四边形斑图[16]、带移动放电丝的蜂窝斑图[17]等。本实验首次发现并研究了一种由中心点子结构、晕子结构和蜂窝框架子结构组成的带晕蜂窝六边形斑图。该斑图的各个子结构的亮度不同，表明这3套子结构的放电机制不同。这与之前我们发现的由两套子结构构成的蜂窝六边形斑图是不一样的[18]。在时间和空间上对斑图结构的研究主要有两种方法[19]，一种是采用多通道的高速相机，可以对斑图的瞬态结构进行分脉冲拍摄，能够直观地记录下斑图的整体结构。但是由于高速相机灵敏度较低,对微弱的放电进行单次曝光很难得到其清晰的结构。另一种是采用光电倍增管,光电倍增管是具有灵敏度极高和时间响应超快等特性的光探测器件,它可以测量比较微弱的放电, 得到斑图清晰的单次放电信号，并且可以人为选择测量不同位置的放电丝的光信号。

本实验采用带有3个通道的高速照相机和光电倍增管对带晕蜂窝六边形斑图的时空结构进行研究。由于等离子体参量中的分子振动温度可以表现等离子体的基本宏观特性[20]，本工作利用发射光谱法，根据氮分子谱线第二正带系(C3Πu→B3Πg)计算得到六边形中心点子结构、晕子结构和蜂窝框架子结构的分子振动温度。众所周知，壁电荷对介质阻挡放电系统中斑图的形成具有十分重要的影响[21]，本文讨论壁电荷对介质阻挡放电中带晕蜂窝六边形斑图的稳定形成及其时空结构的影响，丰富了介质阻挡放电系统中斑图的多样性，对其他系统中斑图的研究具有一定借鉴作用。

2 实验装置

实验装置示意图如图1所示，实验装置主要由一对平行放置的水电极、光谱仪、高压电源、示波器组成。本实验采用的驱动电源是正弦交流电源，其频率为55 kHz，电压峰值可调范围为0～13 kV。水电极的内径是70 mm，其两端使用1.6 mm厚的玻璃封住，中间放有边长为3 cm、厚度为 2.4 mm的特制的正四边形放电气隙。将这对带有四边形放电气隙的装置放于可调节氩气和空气比例以及气压的密闭反应室中。在氩气含量为25%、气压为20.27 kPa的条件下，在升压过程中，产生如图2所示斑图。使用高压探头测量实验过程中水电极两端的电压。使用数码照相机(Canon Powershot G16)记录实验中得到的斑图图像。使用数字示波器(Tektronix DPO 4010B)存储信号。使用光谱仪(ACYON SP-58，CCD:1 340×400 Pixels，光栅300,800,2 400 G·mm-1，分辨率0.005 nm)的光纤探头接收中心点、晕和蜂窝框架的光信号并连接到计算机进行信号采集与分析处理。设置高速相机各通道的延迟时间、曝光时间并由外加方波信号触发，来记录斑图在不同放电脉冲下的瞬态放电过程，进而分析斑图在纳秒时间尺度的时空结构。

图1 放电装置示意图

3 实验结果与分析

3.1 斑图演化序列

图2给出斑图随驱动电压升高的演化过程。由图2可见当水电极两端电压升到2.72 kV时，出现随机放电丝；当电压升高到3.28 kV时，出现单元较少的带晕蜂窝六边形斑图；当电压继续升高到4.38 kV时，出现带晕蜂窝六边形斑图(该斑图为本文中我们所研究的斑图)；当电压升高到6.56 kV时，出现四边形斑图。图3(a)给出了本实验研究的带晕蜂窝六边形斑图。为了方便观察，我们在图3(b)中给出放大后的图3(a)中一个单元(白色框架内)被放大5倍后的斑图。从图中可以看出斑图由中心点(A)、晕(B)和蜂窝框架(C)组成。由图3(b)可以看出带晕蜂窝六边形斑图中中心点、晕、蜂窝框架在亮度上是不同的，具体为中心点最亮，晕次之，蜂窝结构最暗，这意味着这3套子结构的放电机制和等离子体参数可能是不同的。

图2 随电压升高带晕蜂窝六边形斑图的演化过程。(a)随机放电丝；(b)较少单元的带晕蜂窝六边形斑图；(c)带晕蜂窝六边形斑图；(d)四边形斑图。其他实验参量：放电间隙d=2.4 mm，气压P= 20.27 kPa，氩气含量χ=25%，电源频率f=55 kHz，曝光时间t=25 ms。

图3 (a)带晕蜂窝六边形斑图；(b)放大5倍后的部分带晕蜂窝六边形斑图。

3.2 利用高速相机和光电倍增管对斑图的时空动力学进行诊断

采用具有3个通道的高速照相机对带晕蜂窝六边形斑图进行分脉冲瞬时拍摄得到一系列的照片,这样可以在瞬间同时记录半周期内3个电流脉冲所对应的子结构。实验过程中我们发现：对于光强较弱的子结构，从单次曝光的照片中不能观察到其完整的结构。由于带晕蜂窝六边形斑图具有很好的稳定性，所以利用高速照相机的loop模式对同一个电流脉冲进行多次叠加拍摄。图4给出了拍摄曝光时间Δt1、Δt2、Δt3所对应的电流脉冲。图5(a)～(c)对应着在曝光时间分别为340，1 600，1 780 ns的条件下拍摄的图片，图5(d)是将图5(a)～(c)叠加后得到的图片，loop次数为50次。从图4中可以看出，Δt1所对应的电流脉冲在电压下降沿放电，Δt2、Δt3所对应的电流脉冲在电压上升沿放电。这与我们之前研究的中心点在上升沿放电的普通蜂窝六边形是不同的[18]。由图5(a)可以看出，Δt1时刻产生的放电丝组成了完整的六边形结构，Δt2时刻产生的斑图为晕结构的斑图，Δt3时刻放电丝构成了完整的蜂窝框架结构。由图5(d)可以看出, Δt1时刻所产生的中心点被Δt2时刻产生的晕所包围，且中心点所在位置正好是Δt2时刻产生的晕的中心，而中心点和晕组成的斑图结构正好嵌套在蜂窝斑图结构的中心。在时间顺序上，晕和蜂窝框架在电压上升沿放电，中心点在电压下降沿放电，并且在每个驱动电压半周期内都遵循着晕-蜂窝框架-中心点这样的放电顺序。

为进一步研究带晕蜂窝六边形斑图的时空动力学，我们采用光电倍增管对中心点、晕和蜂窝框架结构进行测量。结果如图6所示，其中A为中心点放电信号，结合高速照相机的讨论结果，我们可以发现中心点都在第一个电流脉冲放电，而图6中A在第二段脉冲信号的出现是由于晕的范围包含中心点。B为一部分晕的放电信号(由于测量过程中只能将晕的部分信号放入光电倍增管)，可以发现晕在中心点周围随机放电，并不是同一位置的单次放电，图3中的晕(B)是随机放电经过如图4中Δt2时间的累积形成的。蜂窝框架的放电在第3段电流脉冲中产生，这跟高速相机所得到的结果相符合，并与之前所研究的形成机制相同[18]。

图4 电流电压波形图

图5 曝光时间分别为340(a)，1 600(b)，1 780(c) ns的条件下拍摄的图片以及这3张图片的叠加(d)。

图6 带晕蜂窝六边形斑图光信号。U为电压曲线；I为电流曲线;A为中心点；B为晕结构。

3.3 对等离子体参量进行研究

本实验采用发射光谱法，利用氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg) 中的(0～2，1～3，2～4)和(0～3，1～4，2～5)两组振动序带来计算分子振动温度，光栅和中心波长分别设定为300 G/mm、390 nm。结果如图 7所示。A代表中心点，B代表晕，C代表蜂窝框架。可以看出这3套子结构的分子振动温度是不同的，中心点的分子振动温度为2 632 K，晕的分子振动温度为2 679 K，蜂窝框架的分子振动温度为2 720 K。

图7 不同位置处的的发射谱线

3.4 壁电荷对放电的影响

本实验中的带晕蜂窝六边形斑图，晕结构与蜂窝框架结构在电压上升沿放电，中心点结构在电压下降沿放电。我们用电流脉冲积分法计算了三种子结构斑图的壁电荷量[22]，结果如下：单个晕处的壁电荷为0.69×10-9C,蜂窝框架单边壁电荷为0.22×10-9C，每个中心点的壁电荷为0.17×10-9C。在电压上升过程中，壁电荷产生的电场与外加电压产生的电场方向相反，晕处积累的壁电荷要比蜂窝框架处的多。外加电压达到最大值后开始下降，当下降到一定程度时，晕处的壁电荷形成的电场强度较大，晕处两个电极间的净电场强度(与外加电压产生的电场强度方向相反)大于气体击穿阈值，产生放电，形成中心点。放电过程中只消耗晕处的一部分壁电荷，晕处剩余壁电荷约为0.52×10-9C,仍高于蜂窝框架处的壁电荷。在外加电压反向后的电压上升沿，上半个周期积累的壁电荷电场与外加电压电场方向相同，所以晕处壁电荷的促进作用较大，晕先放电，蜂窝框架后放电。在每一个外加电压半周期内，重复以上过程，形成了带晕蜂窝六边形斑图。

4 结 论

利用高速照相机和光电倍增管对带晕蜂窝六边形斑图的时空动力学进行研究。带晕蜂窝六边形斑图由3套子结构相互嵌套组成：在电压上升沿放电的晕和蜂窝框架结构及在电压下降沿放电的中心点结构。在每个放电周期内放电顺序为：晕-蜂窝框架-中心点。空间上中心点嵌套于晕的中心处，晕和中心点又嵌套在蜂窝框架的中心处。晕的放电并非同时放电，具有局部随机性。带晕蜂窝六边形的3套子结构的分子振动温度不同，说明不同结构的等离子体状态是不同的。壁电荷对带晕蜂窝六边形的时空结构具有相当重要的作用。本文对其他系统中斑图的研究具有一定借鉴作用。