董麗芳 楊玉杰 劉為遠(yuǎn) 岳 晗 王 帥 劉忠偉 陳 強

1)(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，保定 071002)

2)(北京印刷學(xué)院等離子體物理材料實驗室，北京 102600)

(2010年3月30日收到;2010年4月27日收到修改稿)

不同電介質(zhì)結(jié)構(gòu)下介質(zhì)阻擋放電特性研究*

董麗芳1)?楊玉杰1)劉為遠(yuǎn)1)岳 晗1)王 帥1)劉忠偉2)陳 強2)

1)(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，保定 071002)

2)(北京印刷學(xué)院等離子體物理材料實驗室，北京 102600)

(2010年3月30日收到;2010年4月27日收到修改稿)

設(shè)計制作了單面有氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電介質(zhì)層的雙玻璃介質(zhì)層的介質(zhì)阻擋放電裝置，研究了其放電特性，并將其與雙玻璃介質(zhì)層和單玻璃介質(zhì)層的介質(zhì)阻擋放電進行了比較.從電荷輸運的角度分析，上述三種裝置分別實現(xiàn)了電荷的二維、零維和三維輸運.采用兩種不同的雙玻璃介質(zhì)層裝置，獲得了單個穩(wěn)定的放電絲.與無ITO導(dǎo)電層的雙玻璃結(jié)構(gòu)得到的單個放電絲相比，單面有導(dǎo)電ITO介質(zhì)的雙玻璃結(jié)構(gòu)中，單放電絲呈“T”字型，其光暈是前者光暈的2倍，其放電電流大于前者電流，其放電時間間隔長短交替現(xiàn)象更為明顯，且存在強度大小交替的現(xiàn)象.分析表明，壁電荷輸運及二次電子發(fā)射的不同導(dǎo)致了不同電介質(zhì)結(jié)構(gòu)放電特性的不同.

介質(zhì)阻擋放電，壁電荷，二次電子發(fā)射

PACS:52.80.Pi，52.20.－j

1.引 言

介質(zhì)阻擋放電(DBD)，又稱無聲放電，是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電.其裝置通常是由兩個平行電極組成，其中至少在一個電極表面覆蓋上電介質(zhì)［1—4］.目前，人們研究的 DBD 裝置有很多，例如，單電介質(zhì)DBD裝置、雙電介質(zhì) DBD裝置、半導(dǎo)體為電極的單電介質(zhì)DBD裝置以及針板DBD裝置等［5—20］.

在高pd值的絲狀放電中，當(dāng)外加電壓達(dá)到擊穿閾值時，氣體分子發(fā)生電離產(chǎn)生正負(fù)帶電粒子.在外加場的作用下，在每一個放電通道內(nèi)這些帶電粒子分別向兩極運動，并沉積在介質(zhì)表面上，形成壁電荷.壁電荷產(chǎn)生內(nèi)建電場，其方向與外加電場方向相反，因而作用在氣體上的凈電場為外加電場與內(nèi)建電場之差.隨著放電的進行，不斷累積的壁電荷使內(nèi)建電場強度很快增大，當(dāng)凈電場強度小于放電所需要的維持電場強度時，放電就熄滅了.但當(dāng)下半周外加交流電壓反向時，上述內(nèi)建電場與外加電場同向，因而對放電起促進作用.因此，壁電荷對放電具有雙重作用.由于壁電荷的的雙重作用，使得介質(zhì)阻擋放電出現(xiàn)放電時間間隔的長短交替現(xiàn)象［17］.

在介質(zhì)阻擋放電中，不同材料的電極將影響電荷的輸運情況.若一電極為導(dǎo)體，其對電荷輸運沒有任何限制，電荷在其中各個方向均能移動，既能沿電場方向輸運返回回路，又能在垂直于電場的方向移動，我們稱其實現(xiàn)了電荷的三維輸運.如果電極上覆有電介質(zhì)，電介質(zhì)在沿電場方向和垂直電場方向上均限制電荷移動，電荷只能沉積并固定在介質(zhì)表面，我們稱其為零維電荷輸運.如果以半導(dǎo)體作為電極，盡管半導(dǎo)體具有一定的電導(dǎo)特性，產(chǎn)生的電荷一部分輸運返回回路，一部分會沉積在介質(zhì)表面并在表面有一定擴散，其電荷在各個方向仍能輸運，故我們?nèi)苑Q其為三維電荷輸運.按照上述分析，可根據(jù)除覆有電介質(zhì)的電極外另一個電極的材料結(jié)構(gòu)，對已有的 DBD裝置進行分類如下:單電介質(zhì)DBD裝置，一電極由平板導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成，我們稱其為三維電荷輸運DBD裝置;雙電介質(zhì)DBD裝置，兩個電極上均覆蓋有電介質(zhì)，我們稱其為零維電荷輸運DBD裝置;針板DBD裝置，電荷只能沿針導(dǎo)體輸運，我們稱其為一維電荷輸運DBD裝置.

研究表明，不同的電荷輸運將形成不同的介質(zhì)阻擋放電特性.例如，單電介質(zhì) DBD特性與雙電介質(zhì) DBD 特性不同;又如 Purwins小組［15—17］利用光敏的半導(dǎo)體硅(或半絕緣的 SI GaAs)作為電極，通過改變光照強度改變電極的電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)放電中存在各種分岔現(xiàn)象及不穩(wěn)定性，并認(rèn)為是具有一定導(dǎo)電性的半導(dǎo)體介質(zhì)層與氣體放電層的電性耦合所致.分析關(guān)于電荷輸運的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)以往的研究均集中在各向同性的電荷輸運方面，尙未見過有關(guān)各向異性的電荷輸運對放電特性影響的研究.

本工作首次設(shè)計制作了單面有氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電介質(zhì)層的雙玻璃介質(zhì)層的介質(zhì)阻擋放電裝置，這使得放電產(chǎn)生的電荷通過等離子體通道到達(dá)結(jié)構(gòu)為ITO導(dǎo)電層-玻璃介質(zhì)-液體電極的一側(cè)時，盡管在電場方向上電荷輸運仍被限制，但在垂直于電場的二維方向上電荷可自由移動，從而實現(xiàn)了電荷的二維輸運.顯然，該裝置實現(xiàn)了各向異性的電荷輸運.在此基礎(chǔ)上，將其放電特性與雙玻璃介質(zhì)層和單玻璃介質(zhì)層的介質(zhì)阻擋放電特性進行了比較，并對電荷輸運及二次電子發(fā)射對放電特性的影響進行了分析.

2.實驗裝置

圖1 三種不同電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的DBD裝置示意圖 (a)雙玻璃DBD(零維電荷輸運)裝置，(b)有 ITO導(dǎo)電層雙玻璃 DBD(二維電荷輸運)裝置，(c)單玻璃DBD(三維電荷輸運)裝置

圖1為三種不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的DBD裝置示意圖.圖中水電極是由裝滿水的內(nèi)徑為30 mm的圓柱形容器組成，與高壓交流電源兩極相連的金屬環(huán)浸在水中.容器的兩端用厚度為1.5 mm的玻璃片封住，作為電介質(zhì).從電荷輸運的角度分析，如圖1(a)—(c)所示的三種裝置，分別實現(xiàn)了電荷的零維、二維和三維輸運.圖2為實驗裝置示意圖.反應(yīng)室中分別放入圖1所示的三種DBD裝置，并充滿氬氣含量為96%的空氣和氬氣混合氣體，氣壓控制在1 atm(1 atm=1.01325×105Pa).反應(yīng)室兩側(cè)設(shè)有觀察窗，用數(shù)碼相機(Konica Minolta Dimage Z2)從端面拍攝放電絲的空間分布及運動變化過程.使用頻率為60 kHz的正弦交流電源，電壓由高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)測得，并用數(shù)字示波器(Tektronix DPO4054，500 MHz)記錄、存儲.通過透鏡系統(tǒng)可測量某一個或多個放電絲的光信號，由光電倍增管PMT(RCA 7625)采集并由示波器記錄.

圖2 實驗裝置示意圖

3.實驗結(jié)果與討論

實驗在雙玻璃DBD和單面有ITO層的雙玻璃DBD中得到了單個放電絲，如圖3所示.由上文可知，在單面有ITO層的DBD中，當(dāng)氣體電離產(chǎn)生的電荷到達(dá)具有導(dǎo)電性的ITO層時，將會在ITO中自由移動，那么其最終將分布在ITO與玻璃介質(zhì)的交界面處.實驗發(fā)現(xiàn)，在雙玻璃DBD中得到的單放電絲穩(wěn)定，而在有ITO層DBD中得到的單個放電絲通道直徑比較大且有微弱的抖動，致使圖3(b)中放電通道直徑明顯比圖3(a)中放電通道直徑大.原因可能是在有ITO的一側(cè)電荷的擴散，導(dǎo)致空間記憶效應(yīng)減弱，從而引起放電通道的變大和放電位置的晃動.由圖3還可以看到，在雙玻璃介質(zhì) DBD中得到的單放電絲端面直徑約為3.3 mm，側(cè)視圖為“H”字型，這與以前的結(jié)果相同［10］;而在單面有 ITO導(dǎo)電介質(zhì)層的DBD中得到的單放電絲端面直徑約為6.9 mm，約為雙玻璃中的2倍，其側(cè)視圖為“T”字型(有ITO層的一面光暈消失).當(dāng)氣體電離產(chǎn)生的電荷在ITO中自由移動并分布在ITO與玻璃介質(zhì)的交界面處時，ITO表面沒有和氣體相互作用發(fā)光的粒子，從而形成了單放電絲側(cè)視圖為“T”字型.

為了研究介質(zhì)阻擋放電的電荷輸運特性，實驗研究了三種不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電的電流特性，結(jié)果如圖4，圖5和圖6所示.盡管外加電壓依次減小(分別為 2.8，2.6，2.2 kV)，但雙玻璃 DBD，有ITO導(dǎo)電層(瞬時陽極時)的雙玻璃DBD及單玻璃介質(zhì)DBD(銅電極瞬時陽極時)的放電電流卻變大:水電極為瞬時陽極時，分別為2.8，12，26 mA;水電極為瞬時陰極時，分別為2.8，14，36 mA.隨電荷輸運維數(shù)的減小，介質(zhì)對電荷的限制作用越來越大.因此，有ITO導(dǎo)電層的雙玻璃DBD中放電電流大小處于雙玻璃介質(zhì)DBD和單層玻璃介質(zhì)DBD的放電電流大小之間.另外，在后兩種 DBD裝置中出現(xiàn)電流強度的大小交替現(xiàn)象，這可能與介質(zhì)的二次電子發(fā)射有關(guān)，后文我們將對此進行分析.

圖4和圖5分別為在雙玻璃DBD，有ITO導(dǎo)電層的雙玻璃DBD兩種不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)下得到單放電絲放電的電壓、電流以及光信號.由圖4可知，在雙玻璃介質(zhì)中，相鄰兩次放電的時間間隔為 8.57，8.01，8.70，7.98，…… μs，可見是長短交替的，長短之差約為0.65 μs.由圖5可以看出:1)單層有ITO導(dǎo)電層的 DBD中，單放電絲放電時間間隔為9.56，7.11，9.54，7.09，…… μs，放電時刻時間間隔也為長短交替的，其長短之差約為1.44 μs，因此長短交替現(xiàn)象更加劇烈;2)放電電流信號在每個放電周期內(nèi)的上下半周大小不同，下半周(此時ITO導(dǎo)電層為瞬時陰極)比上半周約大2.0 mA，而在雙玻璃DBD中放電電流大小沒有變化;3)光信號脈沖強度與放電電流信號類似(上下半周大小不同)，出現(xiàn)光信號強度上下半周大小交替現(xiàn)象，下半周與上半周之比約為3∶2，如同放電電流，雙玻璃中沒有這種現(xiàn)象.

由于兩結(jié)構(gòu)的DBD裝置僅在ITO導(dǎo)電層的有無、不同介質(zhì)放電形成的壁電荷分布不同，所以我們認(rèn)為，造成放電間隔長短交替更加劇烈的原因為導(dǎo)電ITO層壁電荷分布的影響.由于ITO導(dǎo)電層的存在，壁電荷在ITO層上擴散，造成了壁電荷的面密度減小，影響到放電電場的大小，使得放電時刻改變，從而影響到了放電絲放電間隔的長短交替現(xiàn)象的劇烈程度.

由以前研究可知，由于壁電荷的作用，上半周放電時刻越靠后，放電積累的壁電荷越多，下半周放電所需的外加電壓越低，由此放電時刻越提前，這就造成了放電絲放電時間間隔的長短交替現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn)，在介質(zhì)阻擋放電中，微放電沿放電間隙的空間分布呈漏斗形，其頸部在陰極，開口在陽極［19］.因此，陰極的面電荷密度顯然大于陽極的面電荷密度.由于內(nèi)建電場的大小主要取決于電荷的面密度，所以內(nèi)建電場的大小主要由瞬時陰極處積累的壁電荷面密度決定.在單面有 ITO導(dǎo)電層的DBD中，壁電荷在 ITO表面移動，使得有 ITO導(dǎo)電層時壁電荷的面密度小于無ITO時(玻璃介質(zhì)時)的面密度.這樣，在有ITO導(dǎo)電層的一面為陰極時，使得上半周期留下的壁電荷產(chǎn)生內(nèi)建電場比同樣條件下玻璃中的要小，所以放電時刻向后延遲;同時，放電時刻的向后延遲又使得放電積累的壁電荷變多，電極變換后(ITO導(dǎo)電層的一面為陽極時，喇叭狀開口由于ITO導(dǎo)電層存在而消失)，放電所需的外加電壓變低，放電時刻提前.因此這就造成了單面有ITO介質(zhì)的DBD中產(chǎn)生的放電絲放電時間間隔的長短交替現(xiàn)象更加劇烈.

另外，ITO介質(zhì)層的存在使放電中出現(xiàn)二次電子發(fā)射現(xiàn)象，進而導(dǎo)致放電電流以及光信號強度在上下半周期呈現(xiàn)大小不同的特性.當(dāng)用具有一定能量或速度的電子(或離子等其他粒子)轟擊金屬等物質(zhì)時，也會引起電子從這些物體中發(fā)射出來，這種物理現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射.帶電粒子在轟擊ITO導(dǎo)電層表面時出現(xiàn)二次電子發(fā)射，造成了放電電流及光信號強度在上下半周期大小交替的現(xiàn)象.另外，王德真小組通過數(shù)值模擬得到絕緣介質(zhì)的二次電子發(fā)射會使放電電流增大［13］，這也是造成單面有ITO導(dǎo)電介質(zhì)的雙玻璃介質(zhì)DBD放電電流變大的另一原因.

由于在有ITO導(dǎo)電層的雙玻璃DBD中放電電流比較大，電子(或離子等其他粒子)的能量(動能)也就比較大，并且導(dǎo)電ITO對電子的束縛比玻璃差很多，這些離子轟擊ITO導(dǎo)電層時就會產(chǎn)生二次電子發(fā)射.上述放電強度上(放電電流及光信號強度)的大小交替現(xiàn)象就是由于在ITO導(dǎo)電層表面產(chǎn)生二次電子發(fā)射所引起的.當(dāng)有ITO導(dǎo)電層的一面為瞬時陽極時，電子轟擊ITO導(dǎo)電層表面產(chǎn)生二次電子形成的電流與放電電流放電相反，即形成反電流;而當(dāng)有ITO導(dǎo)電層的一面為瞬時陰極時，正離子轟擊ITO表面產(chǎn)生二次電子形成的電流與電流方向相同.這樣就造成了有ITO導(dǎo)電層的一面為瞬時陰極時的放電電流比其做瞬時陽極時的大，同樣，也造成了光信號強度的大小交替現(xiàn)象.由圖6可知，在單層玻璃DBD中二次電子發(fā)射現(xiàn)象更加劇烈，使得電流上下半周大小差別更大(上半周約為26 mA，下半周約為36 mA，差值約為10 mA).

實驗還對單面有ITO導(dǎo)電層的雙玻璃DBD中的單放電絲進行了時空分辨.圖7給出了單面有ITO導(dǎo)電層的雙玻璃DBD中產(chǎn)生的單放電絲的時空分辨信號.圖中分別給出放電通道(放電絲中心)—放電通道邊緣—放電絲暈的中心—放電絲暈的邊緣四個位置的信號(圖(3)中 A，B，C，D 4個位置).由圖7可知，放電信號由中心向外光信號上下半周期大小交替變化的現(xiàn)象越來越不明顯:由中心處大小之比約為2∶1到邊緣處的1∶1.這可能是由于放電通道內(nèi)產(chǎn)生的二次電子發(fā)射現(xiàn)象比較明顯，導(dǎo)致光信號強度上下半周期大小交替現(xiàn)象明顯.

4.結(jié) 論

設(shè)計制作了單面有ITO導(dǎo)電介質(zhì)層的雙玻璃介質(zhì)層的介質(zhì)阻擋放電裝置，研究了其放電特性，并將其與雙玻璃介質(zhì)層和單玻璃介質(zhì)層的介質(zhì)阻擋放電進行了比較.從電荷輸運的角度分析，上述三種裝置分別實現(xiàn)了電荷的二維、零維和三維輸運.采用兩種不同的雙玻璃介質(zhì)層裝置，獲得了單個穩(wěn)定的放電絲.與無ITO導(dǎo)電層的雙玻璃結(jié)構(gòu)得到的單個放電絲相比，單面有導(dǎo)電ITO介質(zhì)的雙玻璃結(jié)構(gòu)中單放電絲呈“T”字型，其光暈直徑大小是前者光暈的2倍，其放電電流大于前者電流，其放電時間間隔長短交替現(xiàn)象更明顯，且存在強度大小交替的現(xiàn)象.分析表明，壁電荷輸運及二次電子發(fā)射的不同導(dǎo)致了不同電介質(zhì)結(jié)構(gòu)放電特性的不同.

［1］Stollenwerk L 2009New J.Phys.11 103034

［2］Stollenwerk L，Laven J G，Purwins H-G 2007Phys.Rev.Lett.98 255001

［3］Reece R J，Jozef R，Dai X，Sherman D M 2005J.Phys.D:Appl.Phys.38 555

［4］Kogelschatz U 2003Plasma Chemistry and Plasma Processing23 1

［5］Duan X X，Ouyang J T，Zhao X F，He F 2009Phys.Rev.E 80 016202

［6］Shi H，Wang Y H，Wang D Z 2008Phys.Plasmas15 122306

［7］Zhang H Y，Wang D Z，Wang X G 2007Chin.Phys.16 1089

［8］Ouyang J T，He F，Mao J S，F(xiàn)eng S 2006Acta Phys.Sin.55 5969(in Chanese)［歐陽吉庭、何 鋒、繆勁松、馮 碩2006物理學(xué)報 55 5969］

［9］Zhang Y，Gu B，Wang W C，Peng X W，Wang D Z 2009Acta Phys.Sin.58 5532(in Chinese)［張 燕、顧 彪、王文春、彭許文、王德真2009物理學(xué)報58 5532］

［10］Dong L F，Yang L，Zhang Y Z，Yue H 2009Acta Phys.Sin.58 8461(in Chanese)［董麗芳、楊 麗、張彥召、岳 晗 2009物理學(xué)報58 8461］

［11］Li G，Xu Y J，Mu K J，Nie C Q，Zhu J Q，Zhang Y，Li H M 2008Acta Phys.Sin.57 6444(in Chinese)［李 鋼、徐燕驥、穆克進、聶超群、朱俊強、張 翼、李漢明2008物理學(xué)報57 6444］

［12］Yin Z Q，Wan J Y，Huang M Q，Wang H J 2007Acta Phys.Sin.56 7078(in Chinese)［尹增謙、萬景瑜、黃明強、王慧娟2007物理學(xué)報57 6444］

［13］Zhang Z T，Yang B，Xiao Y，Xu Y，Wu X D 2004Nuclear Fusion and Plasma Physics24 208(in Chinese)［張芝濤、楊波、肖 宇、許 陽、吳曉東2004核聚變與等離子體物理24 208］

［14］Wang Y H，Wang D Z 2003Acta Phys.Sin.52 1694(in Chinese)［王艷輝、王德真2003物理學(xué)報52 1694］

［15］Strümpel C，Astrov Y A，Purwins H-G 2002Phys.Rev.E 65 066210

［16］Strümpel C，Purwins H-G 2001Phys.Rev.E 63 026409

［17］Astrov Y A，Ammelt E，Purwins H-G 1997Phys.Rev.Lett.21 3129

［18］Dong L F，Ran J X，Mao Z G 2005Appl.Phys.Lett.86 161501

［19］Merbahi N，Sewraj N，Marchal F，Salamero Y，Millet P 2004J.Phys.D:Appl.Phys.37 1664

［20］Gurevich S V，Amiranashvili Sh，Purwins H-G 2006Phys.Rev.E 74 066201

PACS:52.80.Pi，52.20.－j

Characteristics of dielectric barrier discharge with different dielectric layer structures*

Dong Li-Fang1)?Yang Yu-Jie1)Liu Wei-Yuan1)Yue Han1)Wang Shuai1)Liu Zhong-Wei2)Chen Qiang2)
1)(College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China)
2)(Laboratory of Plasma Physics and Materials，Beijing Institute of Graphic Communication，Beijing 102600，China)
(Received 30 March 2010;revised manuscript received 27 April 2010)

A dielectric barrier discharge device with two glass dielectric layers，one of which is covered with an indium tin oxide(ITO)conductive layer，was designed.Its discharge characteristics was studied and compared with that in dielectric barrier discharge devices with two glass dielectric layers and single glass layer.The charge transport in two dimensions，zero dimension，and three dimensions were realized by the above three devices respectively.Single steady filament is obtained in the two devices with two glass layers.Different from the single filament obtained in the device with two glass dielectric layers without ITO conductive layer，the single filament obtained by using the device of two glass dielectric layers with ITO conductive layer in one side was“T”shapes，its halo was twice as much as that of the former，its current was greater，and the phenomenon of discharge interval changing alternatively between long and short was more evident.Moreover，the discharge intensity also varied alternatively between strong and weak.The analysis indicated that the differences of the wall charge transport and secondary electron emission between different dielectric structures lead to different discharge characteristics.

dielectric barrier discharge，wall charge，secondary electron emission

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:10975043，10775037)、河北省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:A2008000564，A2010000185)和北京市印刷包裝材料與技術(shù)重點實驗室開放課題(批準(zhǔn)號:KF201006)資助的課題.

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grants Nos.10975043，10775037)，the Natural Science Foundation of Hebei Province，China(Grant Nos.A2008000564，A2010000185)，and the Open Program of Beijing Key Laboratory of Printing and Packaging Materials and Technology，Beijing Institute of Graphic Communication，China(Grant No.KF201006).