具有调制作用的介质阻挡放电气隙中的超四边形斑图

王朝阳，徐洪志，李彩霞，郭丽婷，于广林

(1. 河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002；2. 32142部队，河北 保定 071000；3.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

介质阻挡放电又称为无声放电，是一种经典的非平衡状态下的气体放电[1-4],由于可以在大气压或者接近大气压的条件下进行，且具有装置简单、成本低廉等明显优势，被实验室和工业领域所广泛应用[5-9].介质阻挡放电在一定条件下可以自组织成斑图.近年来，斑图的实验和仿真研究也越来越受到关注.本小组基于水电极在自组织斑图领域开展了一系列的工作，不仅获得了丰富多样的斑图，如四边形斑图、六边形斑图、超点阵斑图等[10-24]，测量了斑图的时空动力学，并利用壁电荷理论和耦合模型等对复杂斑图的形成机理进行了研究.如2018年，Yu等[25]在介质阻挡放电系统中获得了六边形超晶格斑图，通过用高速照相机和高速录像机研究发现了沿面放电和体放电之间存在相互作用；2019年，郭丽婷等[26]在介质阻挡放电系统中获得了同心圆环斑图，通过高速照相机发现该斑图由奇数圈的放电丝和偶数圈的白眼嵌套而成.除此之外本实验室还对实验装置及气隙边界进行了改造，得到了很多研究成果，如王永杰[27]等采用网状电极，得到了人工和自组织等离子体柱组成的超六边形等离子体光子晶体(等离子体光子晶体是由等离子体自身密度的周期性分布或者同其他介电材料交错周期性排列而形成的一种新型可调光子晶体).介质阻挡放电中放电气隙的气隙边界也不仅局限于圆形或者方形、六边形等单一对称的单层边界，还可以利用双层不同直径或半径的边界组合而成的边界等，如Gao等[28]选用H型气隙在介质阻挡放电系统中获得了三维斑图.刘彬彬[29]等在普通的四边形边界下获得了白眼条纹超点阵斑图，杜天[30]利用放电后所产生的等离子体将聚酰亚胺薄膜进行刻蚀，从而实现了方格白眼斑图的信息存储，为信息存储领域提供了一个新的发展方向和思路.

本实验在以前工作的基础上，采用在一个方形介质板上开9个1 cm×1 cm的方形孔作为放电区域，通过改变电压和气隙中氩气与空气的比例，在介质阻挡放电系统中发现了重复一致的九宫格超四边形斑图，实验结果不仅补充了介质阻挡放电系统中的小面积放电斑图的类型，而且对工业应用如选择性材料表面处理等具有一定的借鉴意义.

1 实验装置

实验装置如图1所示.2个浸有铜环的有机玻璃空心圆柱，两端用玻璃板密封，管体内注入水，相对放置在透明的密闭容器内，2个水电极中放置铜圆环并分别连接高压电源的两极.实验通过抽气泵来控制密闭容器中的气压，密闭容器2个进气口，1个出气口.其中1个进气口通过细管与氩气连接，另1个进气口直接暴露在空气中，2个进气口分别由2个气阀控制，借此控制密闭容器中的气体成分，通过放气阀和进气阀调节内部压强以及氩气与空气的比例.本次实验在2个水电极之间放入1个特制的玻璃介质挡板作为放电气隙，如图2所示.特制玻璃板是边长为12 cm的正方形，玻璃板上开9个边长D为1 cm的方形孔，每个方形孔间距d均为1 cm，中心方形孔位于玻璃板的几何中心,称为九宫格调制气隙.调制本来是指的把消息置入载体，以便于传输和处理，在这里是指将空间的1个大气隙通过特制玻璃介质挡板变为9个空间分离、尺寸相同的小气隙，即调制气隙.在密闭容器外的可视窗口处，用相机(canon powershot)拍摄斑图，并用数字示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz)记录电流电压波形情况.用高速相机(HSFC Pro，3channels)分脉冲拍摄瞬时照片研究斑图的时空动力学.光电倍增管PMT(RCA7625)测量不同结构上放电丝的时间相关性.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic of the experiment

图2 特制玻璃介质挡板Fig.2 Special glass medium baffle

2 结果与讨论

用图1实验装置，在上述边界下，控制反应室中的气体压强为33 kPa，反应气体为空气与氩气的混合气体，氩气的体积分数为16%，调节电源，慢慢升高外加电压，气隙中的气体被击穿后，产生几个游离的放电丝，图3给出在介质阻挡放电中九宫格调制的超四边形斑图随着外加电压的升高斑图的演化序列.当外加电压达到3.18 kV，气体被击穿，放电丝在正方形小单元的顶角处形成4个小点，且每个单元具有统一性，将其称为四边形斑图1，如图3a所示；随着电压的继续升高，当电压达到4.6 kV时，除了在小正方形顶角处的4个小点外，在正方形4个边的中点和正方形的几何中心位置上，也出现小点，共计9个小点，且每个单元具有统一性，因此将其称为四边形斑图2，如图3b所示；当电压继续升高达到6.4 kV时，在小正方形几何中心位置处演化出4个小点，而小正方形的顶角和边上的小点依然存在，亮度有所增强，在小正方形的边界上演化出亮点，1个小正方形单元中有24个点，每个小正方形单元的放电基本上保持一致，将每个小正方形单元中的放电斑图称为超四边形斑图，如图3c所示；继续升高电压，当外加电压增加到8.4 kV时，小正方形几何中心位置的4个小点消失，演化出9个整齐排列的小点，小正方形顶角处的亮点仍然存在，而小正方形边上演化出2个小点，小正方形边界位置处的亮点消失，此时共计21个点，每个小正方形单元形成的斑图均存在一些或大或小的区别，将最为规整的小正形放电斑图称为四边形斑图3，如图3d所示.超四边形斑图中每个小正方形单元中形成的斑图基本相同，而且里面产生的放电丝状态最为稳定，因此超四边形斑图是最合适的研究对象.

a.U=3.18 kV;b.U=4.6 kV;c.U=6.4 kV; d.U=8.4 kV.图3 随外加电压增加斑图的演化序列Fig.3 Evolution sequence of the pattern with the increase of applied voltage

为了进一步研究图3c所示超四边形斑图的时空结构，使用多通道高速照相机对斑图进行分脉冲拍摄，如图4所示.图4a为放电的电压电流波形图，放电脉冲可以分为3个明显的子脉冲，子脉冲持续时间分别为550、610和950 ns,利用高速相机的外触发模式，分别对应放电脉冲时刻，且曝光时间设置为脉冲的持续时间，即Δt1=550 ns、Δt2=610 ns、Δt3=950 ns，为提高信噪比，将50个周期叠加拍摄，图4b-d是高速相机分脉冲拍摄染色后的图片，图4e是b-d的叠加.结果表明小正方形单元几何中心位置的4个小点首先在电压上升沿的电流脉冲段Δt1处放电，高速相机拍摄到的是小正方形单元顶角的4个点和小正方形单元边上的点，对应于Δt2处的放电，小正方形边界上的亮点在Δt3处放电.由此可得此斑图的放电顺序是从小正方形的几何中心位置的4个小点先放电，然后是小正方形的顶角和边上的点放电，最后是小正方形边界上的点放电，且每个正方形单元中的放电顺序存在统一性.

a.曝光示意；b、c、d、e.染色叠加.图4 高速照相机曝光示意图及拍摄照片的染色叠加Fig.4 Exposure diagram of high-speed camera and color superposition of photos taken

实验进一步利用对光更为灵敏的光电倍增管对超四边形斑图中每个放电丝的时间相关性进行研究.首先，对1个小正方形单元中产生的超四边形斑图进行研究.任取小正方形单元中间位置4个小点中的2个点，记作L、L1,使用2个光电倍增管同时测量，测量结果如图5a所示，小正方形单元中的4个小点均是同时放电；然后，再对小正方形单元中顶角和边上的小点进行测量，任取其中的2个点，记作S1、S2,测量结果如图5b所示，小正方形单元中的顶角和边上的小点均为同时放电.最后，从小正方形几何中心位置的4个小点中任取1点，记作L3，再从小正方形顶角和边上的点中各任取1点，记作T1、T2,测量结果如图5c所示，小正方形中心位置的小点在第1个电流脉冲放电，小正方形顶角和边上的点在电流的第2个脉冲放电.光电倍增管的测量结果与高速照相机的测量结果一致，由此推断，小正方形单元中边界上的点也是同时放电，且在小正方形4个小点、顶角和边上的小点之后放电，因此不再赘述.为了探究不同边界之间的相互作用，选取了不同单元格之间相同位置的点，发现它们都是同时放电，而且，若是在一个单元格中测量的是中间4个点，另一个单元格中测量中间4个小点周围的8个点时，得出的光信号显示，它们的放电顺序和测量同一个单元格里2个点的放电顺序一样，测量结果如图5d所示.由此推断，不同单元格的小点，放电的先后顺序和同一个单元格内不同小点的放电顺序是一样的.进而可以得出结论，不同单元格之间的放电机制是相同的，在调制气隙中，当D/d=2时，每个小正方形气隙中的场强分布、气体成分、边界尺寸相同时，每个单元的介质阻挡放电存在独立性，每个单元格有着相同的时空动力学特性.

根据以上高速相机和光电倍增管的测量结果对本次实验所产生的现象进行报道.在电压0.5个周期内，外加电压的上升沿第1个电流脉冲，对应着小正方形中心位置的4个小点，这是超四边形斑图中的第1套子结构；小正方形单元中顶角和边上的小点对应着电压上升沿的第2个电流脉冲，这是超四边形斑图上的第2套子结构；小正方形边界上的点对应着电压上升沿的第3个电流脉冲，形成第3套子结构.每0.5个周期重复相同的放电规律，多个周期叠加形成如图3c所示的超四边形斑图.

a.超点阵四边形斑图；b.点L1、L2的光信号；c.点T1、T2的光信号；d.点S1、S2的光信号；e.点S2、L3的光信号.图5 光信号Fig.5 Optical signal

为了能够更加清楚明了地展示放电顺序和壁电荷的禁阻作用(放电积累的壁电荷会产生与外加电场方向相反的电场，进而对下次放电产生抑制作用，也称壁电荷的禁阻作用)，其禁阻作用应该是由放电丝中心位置向四周辐射，呈现出圆对称的区域，图6给出放电顺序示意图.图6中浅灰、灰、深灰分别表示3个子结构中壁电荷的位置.禁阻作用强的区域用较深的颜色表示，禁阻作用弱的区域用较浅的颜色表示.首先浅灰色点即小正方形中心位置的4个小点放电，对其四周放电产生抑制作用(如图6a所示)，并且距离越近，抑制作用越强，图中用不同颜色表示了禁阻作用的大小.禁阻作用最弱应该在距离4个小点最远的位置，但是由于是小面积放电，容易受边界的影响，所以形成了小正方形的几何中心位置的4个小点先放电→小正方形的顶角和边上的点放电→小正方形边界上的点放电这样的放电顺序.图6b为第2套子结构产生的壁电荷以及其禁阻作用强弱.第3次放电发生在边界附近，如图6c所示.下轮首次放电又会发生在中心位置，周而复始，产生3套结构相互嵌套的稳定的斑图.

a.4个小点放电丝；b.次外围9个小点放电丝；c.外围12个小点放电丝.图6 放电顺序示意Fig.6 Schematic diagram of discharge sequence

3 结论

本次实验在空气和氩气的混合气体中，利用方形玻璃板上的9个孔作为放电气隙，相当于对气隙进行了9孔调制，进行小面积区域放电，首次发现并研究了多个同样的小单元组成的重复超四边形点阵斑图.每个单元斑图是由小正方形中心位置4个小点、小正方形顶角和边上的点和小正方形边界点嵌套而成.用高速相机和光电倍增管对该斑图的时空动力学进行研究，发现斑图的放电顺序是从中间到边界位置依次放电.并且斑图的形成，会很大程度上受边界条件的影响.此小面积重复单元斑图是由壁电荷和边界效应共同影响而产生的.当气隙边长和间隔之比为2时，9个单元格之间的放电没有互相作用和影响，是相互独立的，具有统一性.改变参数，即D/d的值小于2时，小面积放电斑图的放电特性还有待研究.因此，在对材料的表面进行处理时，一定条件下多个单元格之间不会相互影响，这样就可以同时处理多个材料元件，这对于工作效率的提高有很大帮助.此次实验结果在一定程度上丰富了小面积放电区域的斑图类型，对工业应用如选择性材料表面处理等也具有一定的借鉴意义.