俞哲,張芝濤,王加偉,趙建森

(大連海事大學物理系,遼寧大連 116026)

大氣壓下微流注空間演化與尺度特征

俞哲,張芝濤,王加偉,趙建森

(大連海事大學物理系,遼寧大連 116026)

針對大氣壓下介質阻擋放電的絲狀放電模式,建立了針-板放電裝置.利用CCD(charge-coup led device,電荷耦合元件),光譜相機對在不同激勵電壓下的放電形貌進行了采集和分析.總結了微放電模式下微流注的空間演化過程,對完全擊穿時的放電形貌進行了分析,給出了描述微流注空間尺度的3個參量,并利用放電形貌圖對這3個參量進行了估算,討論3個參量隨激勵電壓的變化規(guī)律.

微放電;介質阻擋放電;空間演化;特征尺度

介質阻擋放電(DBD,dielectric barrier discharge)作為一種可以在大氣壓下產生低溫非平衡等離子體的放電形式,已經在國民經濟各領域得到了廣泛的應用[1-3].其特點是在2個金屬電極之間插入至少1塊絕緣介質,來限制放電電流的過快增長,避免了放電向電弧放電過渡[4].介質阻擋放電的主要模式有:絲狀模式、斑圖模式和擴散模式[5].而通常在大氣壓下,放電模式主要為絲狀放電,在氣隙寬度小于數(shù)毫米時,微放電的空間徑向尺度小于毫米量級[6].在微觀尺度下,微放電呈現(xiàn)出復雜的動態(tài)時空演變過程,放電通道內的電場、電子能量和電子密度等參量在數(shù)十納秒內隨軸向和徑向位置的不同而高度變化,且強烈地依賴放電通道內空間電荷和電介質層表面沉積電荷的形成,這意味著單獨的DBD微放電實際上是一個高氣壓下流注的形成與發(fā)展過程.因此,對微流注的研究有助于了解微流注內部的時空演化機制,找到影響其時空演化特性的關鍵因素.另外,由于大多數(shù)的物理過程和化學過程都發(fā)生在微流注發(fā)展的過程中,因此仔細研究獨立微流注的性質對認識微流注的集體放電效應起著舉足輕重的作用.

本文在建立針-板介質阻擋放電裝置的前提下,利用CCD(charge-coup led device,電荷耦合元件)影像系統(tǒng)對尖端放電的微流注影像進行采集,觀察到微流注的放電發(fā)展過程和放電形貌,并給出能夠表示微流注放電形貌空間尺度的3個參量.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1 實驗裝置

圖1給出的是大氣中獨立微放電實驗系統(tǒng)示意圖.

其中CCD照相機COOLSNAPEZ,型號為SON Y ICX285,介質片采用質量分數(shù)為99%的A l2O3,相對介電常數(shù)為10;尖端電極采用不銹鋼材料制成,尖端處半徑為0.05 mm,與微流注放電通道直徑相當,因此在1次放電中只能允許1個微流注的存在,保證CCD相機拍到的為獨立微流注;所采用的CCD相機最短曝光時間為1μs,為更好地觀察到放電圖像,實驗中為CCD相機配置了2倍放大的微距鏡頭.

2 實驗結果與討論

2.1 微流注的空間演化

實驗在大氣中進行,放電間隙完全暴露在空氣中,圖2是在實驗條件為激勵電壓3 kV,激勵頻率10 k Hz;介質層厚0.64 mm,放電間隙0.9 mm下,曝光時間為1μs的CCD相機拍攝的圖片經過M atlab數(shù)據(jù)可視化和圖像處理工具箱得到微流注放電的光輻射強度分布圖,其中圖上三角為顯示出放電尖端電極位置,下面虛線表示陶瓷介質片表面位置.

圖2 微流注發(fā)展過程Fig.2 Spatial evolution of m icro-discharge

經過大量的圖片采集和處理,篩選出圖2中的圖片,可以清晰地看到1個微流注由雪崩到發(fā)展最終擊穿的過程.當電壓超過Paschen擊穿電壓時,由于尖端附近電場強度較高,在尖端電極附近會產生大量的激發(fā)態(tài)點電子,形成電子雪崩(圖2 a),并在外加電場和本征電場的作用下向陽極發(fā)展(圖2 b-g),最終完全擊穿(圖2 h).在微流注擊穿的過程中,由于在二次電子雪崩的作用下,流注中的激發(fā)態(tài)電子密度不斷增加,使得放電強度增強,電離度升高,沉積在電介質表面的沉積電荷不斷增多,范圍不斷擴大.另外,在整個擊穿后流注的光強分布來看,靠近尖端的流注內光輻射強度較高,并且向陽極方向逐漸減弱,由于流注內光的輻射強度正比于電子密度,因此,靠近尖端附近的電子密度較高,這一方面是因為尖端附近的外加電場強度較高,而且沉積在介質表面的電荷產生了方向與外加電場方向相反的靜電場,使得介質表面附近的總電場減小,放電減弱,另一方面由于微流注在發(fā)展的過程中的擴散作用使得電子密度不斷減小.當沉積電荷逐漸增多,反向靜電場不斷增強,最終導致放電間隙內的總電場小于擊穿電場強度,導致放電熄滅.當微流注完全擊穿時(圖2 h),會發(fā)現(xiàn)在流注與介質板相接處的位置有許多放電的叉狀分支,即放電通道的彎曲,這是由于介質層表面沉積電荷的影響所致,后文將給出解釋.

2.2 微流注的空間形貌

圖3所顯示的是在不同激勵電壓下微流注完全擊穿時的空間形貌.實驗條件為頻率10 k Hz,介質層厚0.64 mm,放電間隙0.9 mm,曝光時間1μs.實驗中通過觀察完全擊穿時放電通道的形貌發(fā)現(xiàn),放電通道并不是垂直于介質表面并且圓柱形對稱的在放電間隙間傳播,而是絕大多數(shù)的放電通道是向兩邊彎曲,即放電通道與介質面接觸點在一個范圍內的不同點交替出現(xiàn),更多的情況是偏離尖端垂直對應的中心點,并且隨著電壓的增加這種現(xiàn)象尤為明顯.這是由于沉積電荷的存在造成的.由于介質導電能力較差,電荷便沉積在介質表面,形成方向與激勵電場方向相反的靜電場,使放電熄滅.在第2次擊穿時,沉積電荷來不及傳導消散,形成的靜電場依然存在,而且由于中心的沉積電荷較多靜電場較強,不利于放電通道在原有位置重新形成,而是在適當?shù)奈恢眯纬蓮澢姆烹娡ǖ?第3次放電時又在另一處靜電場較弱的位置形成新的放電通道,形成觀察到的微流注放電通道彎曲的放電現(xiàn)象.

圖3 不同激勵電壓下微流注形態(tài)比較Fig.3 M icro-dischargemorphology in differen t applied voltage

2.3 微流注的空間尺度

為了準確描述微流注的空間尺度特征,這里標定了3個量,如圖4.D1用來描述流注通道呈圓柱部分的直徑,D2描述其獨立微流注彎曲放電通道所達到最大范圍的直徑,h用來表示放電通道開始彎曲時的空間位置.上文中認為通道彎曲的原因是由于介質層表面的沉積電荷產生的靜電場所致,因此D2和h亦可用來表示靜電場所影響的最大橫向范圍和縱向范圍.利用CCD所拍攝的圖像,并通過對圖像的計算,可以很容易得到這3個參量.

圖5-7分別為D1,h和D23個參量隨激勵電壓的變化規(guī)律.由于激勵電壓的提高,使得由于非彈性碰撞引起的電離作用增強,使得帶電離子更容易向周圍擴散,因此放電通道直徑隨著激勵電壓的提高而增加(圖5),其值為0.04～0.2 mm.對于h和D2值,當激勵電壓為3 000 V時其值為0,說明當激勵電壓小到一定值時,介質表面沉積電荷較少,沉積電荷產生的反向電場很小,對激勵電場幾乎沒有影響或影響范圍很小.而當激勵電壓不斷增大時,由于在放電間隙間的傳輸?shù)碾姾蓴?shù)量增多,沉積電荷的數(shù)量也隨之變多,由沉積電荷產生的反向電場增大,放電通道出現(xiàn)明顯的彎曲.

3 結論

本工作利用了針-板介質阻擋放電裝置和CCD照相系統(tǒng),對大氣中微流注的放電形貌進行了采集和分析.實驗發(fā)現(xiàn),在介質表面沉積電荷的影響下,放電通道會發(fā)生不同程度的彎曲,微流注形貌表現(xiàn)出不同的空間尺度,計算出了描述空間尺度的3個參量D1,D2和h隨著激勵電壓升高而增加.該實驗研究對于介質阻擋放電中微放電模式的進一步研究有著重要的參考價值.

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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

國家自然科學基金資助項目(50877005)

俞哲(1985—),男,遼寧營口人,大連海事大學在讀碩士研究生.

(責任編輯:孟素蘭)