于廣林， 董麗芳， 竇亞亞, 孫浩洋, 米彥霖

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

1 引 言

斑圖是指在空間或時間上具有某種規(guī)律的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)，是一種非平衡態(tài)自組織現(xiàn)象。斑圖在自然界中廣泛存在，也存在于多種實驗室系統(tǒng)中。研究者們在不同系統(tǒng)中都觀察到了斑圖，例如對流斑圖[1-2]、化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)斑圖[3-4]、非線性光學(xué)斑圖[5-6]以及介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)斑圖。介質(zhì)阻擋放電是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電,由于其裝置簡單、操作方便且成本低，在眾多領(lǐng)域當(dāng)中被廣泛地應(yīng)用[7-13]。近年來，介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)因觀察到各種各樣的穩(wěn)定性較好且形成過程較快的發(fā)光斑圖而備受關(guān)注[14-15]。采用光學(xué)手段對介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)光斑圖的時空動力學(xué)進(jìn)行研究。例如本實驗小組在之前的工作中研究的新型超四邊形斑圖[16]、帶移動放電絲的蜂窩斑圖[17]等。本實驗首次發(fā)現(xiàn)并研究了一種由中心點子結(jié)構(gòu)、暈子結(jié)構(gòu)和蜂窩框架子結(jié)構(gòu)組成的帶暈蜂窩六邊形斑圖。該斑圖的各個子結(jié)構(gòu)的亮度不同，表明這3套子結(jié)構(gòu)的放電機(jī)制不同。這與之前我們發(fā)現(xiàn)的由兩套子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的蜂窩六邊形斑圖是不一樣的[18]。在時間和空間上對斑圖結(jié)構(gòu)的研究主要有兩種方法[19]，一種是采用多通道的高速相機(jī)，可以對斑圖的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分脈沖拍攝，能夠直觀地記錄下斑圖的整體結(jié)構(gòu)。但是由于高速相機(jī)靈敏度較低,對微弱的放電進(jìn)行單次曝光很難得到其清晰的結(jié)構(gòu)。另一種是采用光電倍增管,光電倍增管是具有靈敏度極高和時間響應(yīng)超快等特性的光探測器件,它可以測量比較微弱的放電, 得到斑圖清晰的單次放電信號，并且可以人為選擇測量不同位置的放電絲的光信號。

本實驗采用帶有3個通道的高速照相機(jī)和光電倍增管對帶暈蜂窩六邊形斑圖的時空結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。由于等離子體參量中的分子振動溫度可以表現(xiàn)等離子體的基本宏觀特性[20]，本工作利用發(fā)射光譜法，根據(jù)氮分子譜線第二正帶系(C3Πu→B3Πg)計算得到六邊形中心點子結(jié)構(gòu)、暈子結(jié)構(gòu)和蜂窩框架子結(jié)構(gòu)的分子振動溫度。眾所周知，壁電荷對介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中斑圖的形成具有十分重要的影響[21]，本文討論壁電荷對介質(zhì)阻擋放電中帶暈蜂窩六邊形斑圖的穩(wěn)定形成及其時空結(jié)構(gòu)的影響，豐富了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中斑圖的多樣性，對其他系統(tǒng)中斑圖的研究具有一定借鑒作用。

2 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示，實驗裝置主要由一對平行放置的水電極、光譜儀、高壓電源、示波器組成。本實驗采用的驅(qū)動電源是正弦交流電源，其頻率為55 kHz，電壓峰值可調(diào)范圍為0～13 kV。水電極的內(nèi)徑是70 mm，其兩端使用1.6 mm厚的玻璃封住，中間放有邊長為3 cm、厚度為 2.4 mm的特制的正四邊形放電氣隙。將這對帶有四邊形放電氣隙的裝置放于可調(diào)節(jié)氬氣和空氣比例以及氣壓的密閉反應(yīng)室中。在氬氣含量為25%、氣壓為20.27 kPa的條件下，在升壓過程中，產(chǎn)生如圖2所示斑圖。使用高壓探頭測量實驗過程中水電極兩端的電壓。使用數(shù)碼照相機(jī)(Canon Powershot G16)記錄實驗中得到的斑圖圖像。使用數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4010B)存儲信號。使用光譜儀(ACYON SP-58，CCD:1 340×400 Pixels，光柵300,800,2 400 G·mm-1，分辨率0.005 nm)的光纖探頭接收中心點、暈和蜂窩框架的光信號并連接到計算機(jī)進(jìn)行信號采集與分析處理。設(shè)置高速相機(jī)各通道的延遲時間、曝光時間并由外加方波信號觸發(fā)，來記錄斑圖在不同放電脈沖下的瞬態(tài)放電過程，進(jìn)而分析斑圖在納秒時間尺度的時空結(jié)構(gòu)。

圖1 放電裝置示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 斑圖演化序列

圖2給出斑圖隨驅(qū)動電壓升高的演化過程。由圖2可見當(dāng)水電極兩端電壓升到2.72 kV時，出現(xiàn)隨機(jī)放電絲；當(dāng)電壓升高到3.28 kV時，出現(xiàn)單元較少的帶暈蜂窩六邊形斑圖；當(dāng)電壓繼續(xù)升高到4.38 kV時，出現(xiàn)帶暈蜂窩六邊形斑圖(該斑圖為本文中我們所研究的斑圖)；當(dāng)電壓升高到6.56 kV時，出現(xiàn)四邊形斑圖。圖3(a)給出了本實驗研究的帶暈蜂窩六邊形斑圖。為了方便觀察，我們在圖3(b)中給出放大后的圖3(a)中一個單元(白色框架內(nèi))被放大5倍后的斑圖。從圖中可以看出斑圖由中心點(A)、暈(B)和蜂窩框架(C)組成。由圖3(b)可以看出帶暈蜂窩六邊形斑圖中中心點、暈、蜂窩框架在亮度上是不同的，具體為中心點最亮，暈次之，蜂窩結(jié)構(gòu)最暗，這意味著這3套子結(jié)構(gòu)的放電機(jī)制和等離子體參數(shù)可能是不同的。

圖2 隨電壓升高帶暈蜂窩六邊形斑圖的演化過程。(a)隨機(jī)放電絲；(b)較少單元的帶暈蜂窩六邊形斑圖；(c)帶暈蜂窩六邊形斑圖；(d)四邊形斑圖。其他實驗參量：放電間隙d=2.4 mm，氣壓P= 20.27 kPa，氬氣含量χ=25%，電源頻率f=55 kHz，曝光時間t=25 ms。

圖3 (a)帶暈蜂窩六邊形斑圖；(b)放大5倍后的部分帶暈蜂窩六邊形斑圖。

3.2 利用高速相機(jī)和光電倍增管對斑圖的時空動力學(xué)進(jìn)行診斷

采用具有3個通道的高速照相機(jī)對帶暈蜂窩六邊形斑圖進(jìn)行分脈沖瞬時拍攝得到一系列的照片,這樣可以在瞬間同時記錄半周期內(nèi)3個電流脈沖所對應(yīng)的子結(jié)構(gòu)。實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)：對于光強(qiáng)較弱的子結(jié)構(gòu)，從單次曝光的照片中不能觀察到其完整的結(jié)構(gòu)。由于帶暈蜂窩六邊形斑圖具有很好的穩(wěn)定性，所以利用高速照相機(jī)的loop模式對同一個電流脈沖進(jìn)行多次疊加拍攝。圖4給出了拍攝曝光時間Δt1、Δt2、Δt3所對應(yīng)的電流脈沖。圖5(a)～(c)對應(yīng)著在曝光時間分別為340，1 600，1 780 ns的條件下拍攝的圖片，圖5(d)是將圖5(a)～(c)疊加后得到的圖片，loop次數(shù)為50次。從圖4中可以看出，Δt1所對應(yīng)的電流脈沖在電壓下降沿放電，Δt2、Δt3所對應(yīng)的電流脈沖在電壓上升沿放電。這與我們之前研究的中心點在上升沿放電的普通蜂窩六邊形是不同的[18]。由圖5(a)可以看出，Δt1時刻產(chǎn)生的放電絲組成了完整的六邊形結(jié)構(gòu)，Δt2時刻產(chǎn)生的斑圖為暈結(jié)構(gòu)的斑圖，Δt3時刻放電絲構(gòu)成了完整的蜂窩框架結(jié)構(gòu)。由圖5(d)可以看出, Δt1時刻所產(chǎn)生的中心點被Δt2時刻產(chǎn)生的暈所包圍，且中心點所在位置正好是Δt2時刻產(chǎn)生的暈的中心，而中心點和暈組成的斑圖結(jié)構(gòu)正好嵌套在蜂窩斑圖結(jié)構(gòu)的中心。在時間順序上，暈和蜂窩框架在電壓上升沿放電，中心點在電壓下降沿放電，并且在每個驅(qū)動電壓半周期內(nèi)都遵循著暈-蜂窩框架-中心點這樣的放電順序。

為進(jìn)一步研究帶暈蜂窩六邊形斑圖的時空動力學(xué)，我們采用光電倍增管對中心點、暈和蜂窩框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。結(jié)果如圖6所示，其中A為中心點放電信號，結(jié)合高速照相機(jī)的討論結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)中心點都在第一個電流脈沖放電，而圖6中A在第二段脈沖信號的出現(xiàn)是由于暈的范圍包含中心點。B為一部分暈的放電信號(由于測量過程中只能將暈的部分信號放入光電倍增管)，可以發(fā)現(xiàn)暈在中心點周圍隨機(jī)放電，并不是同一位置的單次放電，圖3中的暈(B)是隨機(jī)放電經(jīng)過如圖4中Δt2時間的累積形成的。蜂窩框架的放電在第3段電流脈沖中產(chǎn)生，這跟高速相機(jī)所得到的結(jié)果相符合，并與之前所研究的形成機(jī)制相同[18]。

圖4 電流電壓波形圖

圖5 曝光時間分別為340(a)，1 600(b)，1 780(c) ns的條件下拍攝的圖片以及這3張圖片的疊加(d)。

圖6 帶暈蜂窩六邊形斑圖光信號。U為電壓曲線；I為電流曲線;A為中心點；B為暈結(jié)構(gòu)。

3.3 對等離子體參量進(jìn)行研究

本實驗采用發(fā)射光譜法，利用氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg) 中的(0～2，1～3，2～4)和(0～3，1～4，2～5)兩組振動序帶來計算分子振動溫度，光柵和中心波長分別設(shè)定為300 G/mm、390 nm。結(jié)果如圖 7所示。A代表中心點，B代表暈，C代表蜂窩框架?？梢钥闯鲞@3套子結(jié)構(gòu)的分子振動溫度是不同的，中心點的分子振動溫度為2 632 K，暈的分子振動溫度為2 679 K，蜂窩框架的分子振動溫度為2 720 K。

圖7 不同位置處的的發(fā)射譜線

3.4 壁電荷對放電的影響

本實驗中的帶暈蜂窩六邊形斑圖，暈結(jié)構(gòu)與蜂窩框架結(jié)構(gòu)在電壓上升沿放電，中心點結(jié)構(gòu)在電壓下降沿放電。我們用電流脈沖積分法計算了三種子結(jié)構(gòu)斑圖的壁電荷量[22]，結(jié)果如下：單個暈處的壁電荷為0.69×10-9C,蜂窩框架單邊壁電荷為0.22×10-9C，每個中心點的壁電荷為0.17×10-9C。在電壓上升過程中，壁電荷產(chǎn)生的電場與外加電壓產(chǎn)生的電場方向相反，暈處積累的壁電荷要比蜂窩框架處的多。外加電壓達(dá)到最大值后開始下降，當(dāng)下降到一定程度時，暈處的壁電荷形成的電場強(qiáng)度較大，暈處兩個電極間的凈電場強(qiáng)度(與外加電壓產(chǎn)生的電場強(qiáng)度方向相反)大于氣體擊穿閾值，產(chǎn)生放電，形成中心點。放電過程中只消耗暈處的一部分壁電荷，暈處剩余壁電荷約為0.52×10-9C,仍高于蜂窩框架處的壁電荷。在外加電壓反向后的電壓上升沿，上半個周期積累的壁電荷電場與外加電壓電場方向相同，所以暈處壁電荷的促進(jìn)作用較大，暈先放電，蜂窩框架后放電。在每一個外加電壓半周期內(nèi)，重復(fù)以上過程，形成了帶暈蜂窩六邊形斑圖。

4 結(jié) 論

利用高速照相機(jī)和光電倍增管對帶暈蜂窩六邊形斑圖的時空動力學(xué)進(jìn)行研究。帶暈蜂窩六邊形斑圖由3套子結(jié)構(gòu)相互嵌套組成：在電壓上升沿放電的暈和蜂窩框架結(jié)構(gòu)及在電壓下降沿放電的中心點結(jié)構(gòu)。在每個放電周期內(nèi)放電順序為：暈-蜂窩框架-中心點。空間上中心點嵌套于暈的中心處，暈和中心點又嵌套在蜂窩框架的中心處。暈的放電并非同時放電，具有局部隨機(jī)性。帶暈蜂窩六邊形的3套子結(jié)構(gòu)的分子振動溫度不同，說明不同結(jié)構(gòu)的等離子體狀態(tài)是不同的。壁電荷對帶暈蜂窩六邊形的時空結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)重要的作用。本文對其他系統(tǒng)中斑圖的研究具有一定借鑒作用。