趙龍虎，董麗芳，狄聰，張新普，張超

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

介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge）［1－2］又稱(chēng)無(wú)聲放電，是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電，其運(yùn)行過(guò)程為準(zhǔn)連續(xù)的瞬態(tài)過(guò)程.近年來(lái)，大氣壓介質(zhì)阻擋放電以其成本低、裝置簡(jiǎn)單、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)，引起了學(xué)者們的研究熱潮，并在臭氧的合成、等離子體化學(xué)氣相沉積、等離子體顯示器、環(huán)境污染處理、局部材料生長(zhǎng)等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3－9］.介質(zhì)阻擋放電通常由大量微放電通道組成［10］，在一定的條件下，這些微放電通道可形成穩(wěn)定的空間分布即斑圖.

斑圖（pattern）［11］是指在時(shí)間或空間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)，是由系統(tǒng)中的微觀參量之間的相互作用而導(dǎo)致的宏觀量有序分布的狀態(tài)，是一種典型的非線性自組織現(xiàn)象［12］.近年來(lái)，在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了種類(lèi)多樣的斑圖，如：四邊形斑圖、六邊形斑圖、螺旋波斑圖、條紋斑圖以及多種超點(diǎn)陣斑圖等等.以上這些斑圖都是在放電間隙d值較小的實(shí)驗(yàn)條件下得到的，對(duì)在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究甚少.

本實(shí)驗(yàn)是在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，首次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的八邊形結(jié)構(gòu)：在一定的放電區(qū)域內(nèi)，其放電絲密度小、半徑大、排列規(guī)則，并有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu)，是以往斑圖研究中未曾報(bào)道過(guò)的.該結(jié)構(gòu)不僅豐富了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的斑圖種類(lèi)，還進(jìn)一步拓展了在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究，并對(duì)今后在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究有一定的推動(dòng)作用.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)使用雙水電極實(shí)驗(yàn)裝置［13］，如圖1所示.水電極是由2個(gè)裝滿(mǎn)水的內(nèi)徑為70mm的圓柱形容器組成，其兩端與高壓交流電源連接的金屬環(huán)浸在水中.容器兩端分別用厚度為1.5mm的干板和2.0mm的普通玻璃封住，作為介質(zhì)層.2個(gè)水電極之間的放電間隙是可調(diào)的，但該實(shí)驗(yàn)采用的是放電間隙d＝3.8mm、邊長(zhǎng)L＝12mm的八邊形框架.整個(gè)放電裝置處于真空室內(nèi)，放電氣體是純氬氣，氣壓控制在60kPa.交流電源的可調(diào)范圍是0～10kV，高壓探頭（Tektronix P6015A1000X）用于測(cè)量電壓幅值，驅(qū)動(dòng)電源頻率一般在55～60kHz，其數(shù)值可以通過(guò)示波器（Tektronix TDS3054B）讀出，用數(shù)碼相機(jī)（Canon Powershot G1）拍攝斑圖的演化過(guò)程.通過(guò)透鏡系統(tǒng)可以測(cè)量1個(gè)或多個(gè)放電絲的光信號(hào)，并由光電倍增管PMT（RCA 7625）采集和示波器記錄.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)使用了放電間隙d＝3.8mm的八邊形框架，因?yàn)閐值較大，所以實(shí)驗(yàn)首先需要在高壓下演化一小段時(shí)間，看到大半徑放電絲出現(xiàn)即可.圖2是隨電壓升高過(guò)程中八邊形結(jié)構(gòu)的演化序列，依次為：隨機(jī)分布放電絲－大半徑放電絲－八邊形結(jié)構(gòu)－失穩(wěn)的八邊形結(jié)構(gòu).當(dāng)氣體擊穿后，首先出現(xiàn)的是若干隨機(jī)分布放電絲，如圖2a所示.隨著電壓的升高，隨機(jī)放電絲的半徑和亮度都會(huì)有所增加，進(jìn)而形成大半徑放電絲，如圖2b所示.隨著電壓的繼續(xù)升高，大半徑放電絲開(kāi)始自組織排列并占滿(mǎn)整個(gè)放電區(qū)域，形成如圖2c所示的八邊形結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上電壓進(jìn)一步升高，八邊形結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如圖2d所示.實(shí)驗(yàn)將八邊形結(jié)構(gòu)分成了2部分：一部分是圖2c中的線八邊形；另一部分是圖2c中的9個(gè)大半徑放電絲.

在d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著電壓的增加，八邊形結(jié)構(gòu)的單元數(shù)量是不會(huì)增加的，有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu)；放電絲的半徑、亮度及放電絲與放電絲之間的距離都比以往斑圖中的放電絲要大；大半徑放電絲不僅比其他斑圖中的放電絲半徑要大，而且還有一定的勢(shì)力范圍.如圖2c所示，中間的大半徑放電絲的勢(shì)力范圍最大，正是由于這種特性，使9個(gè)大半徑放電絲規(guī)則的占滿(mǎn)整個(gè)放電區(qū)域，形成有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu).

通過(guò)對(duì)八邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)性測(cè)量，筆者研究了八邊形結(jié)構(gòu)的時(shí)空動(dòng)力學(xué).首先對(duì)圖2c中的線八邊形的不同位置進(jìn)行了光信號(hào)測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)線八邊形的不同位置是同時(shí)放電的，如圖3c所示.然后，對(duì)9個(gè)大半徑放電絲進(jìn)行了光信號(hào)測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)9個(gè)大半徑放電絲也是同時(shí)放電的，如圖3d所示.通過(guò)對(duì)圖3的光信號(hào)分析，結(jié)果得出在每半個(gè)電壓周期內(nèi)有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個(gè)大半徑放電絲同時(shí)放電.

圖2 隨著電壓的升高，介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中八邊形結(jié)構(gòu)的演化序列Fig.2 Octagon structure scenario with the applied voltage increasing

圖3 通過(guò)介質(zhì)阻擋放電裝置，對(duì)八邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)性測(cè)量Fig.3 Correlation measurements of the octagon structure in dielectric barrier discharge

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了八邊形結(jié)構(gòu)隨空氣體積分?jǐn)?shù)（0≤χ≤2%）和外加電壓變化的相圖，圖4所示.由圖顯見(jiàn)，隨空氣體積分?jǐn)?shù)的增加，產(chǎn)生八邊形結(jié)構(gòu)的外加電壓也相應(yīng)增加.當(dāng)空氣體積分?jǐn)?shù)不在這個(gè)范圍時(shí)，就很難得到八邊形結(jié)構(gòu)了.實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了八邊形結(jié)構(gòu)隨氣體壓強(qiáng)和外加電壓變化的相圖，如圖5所示.由圖顯見(jiàn)，隨著氣體壓強(qiáng)的增加，產(chǎn)生八邊形結(jié)構(gòu)的外加電壓也相應(yīng)的增加.當(dāng)氣體壓強(qiáng)在40kPa≤p≤60kPa范圍時(shí)，八邊形結(jié)構(gòu)容易獲得，當(dāng)氣體壓強(qiáng)不在這個(gè)范圍時(shí)，就很難得到八邊形結(jié)構(gòu)了.

圖4 隨外加電壓和空氣體積分?jǐn)?shù)變化斑圖出現(xiàn)的相圖Fig.4 Phase diagram of the pattern types as a function of the applied voltage and air concentration

圖5 隨外加電壓和氣體壓強(qiáng)變化八邊形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的相圖Fig.5 Phase diagram of the octagon structure as a function of the applied voltage and gas pressure

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，在放電間隙d值較大的實(shí)驗(yàn)條件下首次得到了穩(wěn)定的八邊形結(jié)構(gòu)，并對(duì)其演化序列和時(shí)空動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)在演化過(guò)程中得到了大半徑放電絲，大半徑放電絲有一定的勢(shì)力范圍，由于中間的大半徑放電絲的勢(shì)力范圍最大，使9個(gè)大半徑放電絲規(guī)則的占滿(mǎn)整個(gè)放電區(qū)域，形成了有且僅有1個(gè)單元的八邊形結(jié)構(gòu).八邊形結(jié)構(gòu)在每半個(gè)電壓周期內(nèi)有2次放電，1次是線八邊形放電，1次是9個(gè)大半徑放電絲同時(shí)放電.空氣體積分?jǐn)?shù)和氣體壓強(qiáng)的變化分別對(duì)八邊形結(jié)構(gòu)的存在有一定的依賴(lài)，隨著空氣體積分?jǐn)?shù)（0≤χ≤2%）的增加，外加電壓也相應(yīng)的增加；隨著氣體壓強(qiáng)（40kPa≤p≤60kPa）的增加，外加電壓也相應(yīng)的增加.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)在d值較大實(shí)驗(yàn)條件下的斑圖研究有了進(jìn)一步的拓展，并對(duì)今后在該領(lǐng)域的理論和應(yīng)用有著重要的參考價(jià)值.

［1］ELIASSON B，KOGELSCHATZ U.Modeling and applications of silent discharge plasmas［J］.IEEE Trans Plasma Science，1991，19（2）：309－323.

［2］徐學(xué)基，揭亞雄.介質(zhì)阻擋放電擊穿過(guò)程的研究［J］.復(fù)旦學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1997，36（3）：268－274.

XU Xueji，JIE Yaxiong.Study on the breakdown process in dielectric barrier discharge［J］.Journal of Fudan University：Natural Science，1997，36（3）：268－274.

［3］KOGELSCHATZ U.Filamentary，patterned and diffuse barrier discharges［J］.IEEE Trans Plasma Science，2002，30（4）：1400－1407.

［4］KUZUMOTO M，OGAWA S，TANAKA M，et al.Fast axial flow CO2laser excited by silent discharge［J］.IEEE Journal of Quanturn Electronics，1990，26（6）：1130－1134.

［5］KIM J，BYUN D，KIM J S，et al.Low－temperature growth of CaN by atomic nitrogen based on a dielectric barrier discharge［J］.Journal of Growth，2000，210：478－486.

［6］ELIASSON B，KOGELSCHATZ U.Nonequilibrium volume plasma chemical processing［J］.IEEE Trans Plasma Science，1991，19（6）：1063－1077.

［7］SHRAI H，KOBAYASHI T ，HASEGAWA Y.Synthesis of silicon nanocones using rf microplasma at atmospheric pressure［J］.Appl Phys Lett，2005，87（14）：143112－143114.

［8］毛志國(guó)，冉俊霞，尹增謙，等.不同氣壓下氬氣介質(zhì)阻擋輝光放電的特性研究［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，24（6）：589－593.

MAO Zhiguo，RAN Junxia，YIN Zengqian，et al.Study on characteristics of dielectric barrier glow discharge in argon at different pressure［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2004，24（6）：589－593.

［9］JIANG Nan，QIAN Shengfa，WANG Long，et al.Localized material growth by a dielectric barrier discharge［J］.Thin Solid Films，2001，390：119－122.

［10］尹增謙，柴志方，董麗芳，等.大氣壓氬氣放電中的斑圖形成［J］.物理學(xué)報(bào)，2003，52（4）：925－928.

YIN Zengqian，CHAI Zhifang，DONG Lifang，et al.Pattern formation in the dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure［J］.Acta Physica Sinica，2003，52（4）：925－928.

［11］MULL ER I，PUNSET C，AMMEL T E，et al.Self－organized filaments in dielectric barrier glow discharges［J］.IEEE Trans Plasma Science，1999，27：20－21.

［12］DONG Lifang，MAO Zhiguo，YIN Zengqian，et al.Generation of high－power－density atmospheric pressure plasma with liquid electrodes［J］.Appl Phys Lett，2004，84（25）：5142－5144.

［13］董麗芳，岳晗，范偉利，等.介質(zhì)阻擋放電躍變升壓模式下靶波斑圖研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（6）：065206.

DONG Lifang，YUE Han，F(xiàn)AN Weili，et al.Target patterns obtained by suddenly increasing applied voltage in dielectric barrier discharge［J］.Acta Physica Sinica，2011，60（6）：065206.