介质阻挡放电中相邻沿面放电之间的相互影响

张浩，董丽芳，赵龙虎，王谦

(河北大学物理科学与技术学院，河北保定　071002)

介质阻挡放电中相邻沿面放电之间的相互影响

张浩，董丽芳，赵龙虎，王谦

(河北大学物理科学与技术学院，河北保定071002)

摘要：采用双水电极介质阻挡放电装置，观察了60 kPa气压下氩气的放电情况，并利用Matlab软件对放电图像中的电场和电势分布进行仿真模拟，研究了相邻两沿面放电之间的影响.在空气-氩气介质阻挡放电中，随着电压的升高，放电区域内放电丝的数量从4个增加到5个，放电丝周围的沿面放电区域也发生了巨大变化.为了对影响沿面放电分布的因素进行更深入地研究，对电流波形图中放电脉冲进行积分，从而对放电区域的电势和电场线进行了模拟.

关键词：介质阻挡放电；体放电；沿面放电

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.02.004

中图分类号：O539

文献标志码：志码：A

文章编号：编号：1000-1565(2015)02-0127-04

收稿日期:2014-09-11

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11375051)；河北省科技厅重点项目(11967135D)；河北省教育厅重点项目(ZD2010140)

通信作者:董丽芳(1963-)，女，河北保定人，河北大学教授，博士生导师，主要从事光学诊断与等离子体物理方面的研究.

Abstract:The mutual influence between the adjacent surface discharges is investigated in a dielectric barrier discharge (DBD) system by using Matlab to simulate the electric field distribution and electric potencial distribution. In air-argon dielectric barrier discharge, the discharge undergoes four filaments-five filaments and the shape of surface discharge also changed with the applied voltage increases . In addition, the electric field distribution and electric potential distribution is established to conduct simulation in the locations of the corresponding filaments.

Mutual influence between the adjacent surface discharges

in a dielectric barrier discharge

ZHANG Hao,DONG Lifang,ZHAO Longhu,WANG Qian

(College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)

第一作者:张浩(1989-)，男，河北保定人，河北大学在读硕士研究生，主要从事非线性介质阻挡放电斑图动力学研究.

E-mail: donglf @hbu.edu.cn

Key words: dielectric barrier discharge; volume discharge; surface discharge

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)，又叫无声放电(silent discharge),是一种非平衡态的气体放电.目前，介质阻挡放电已经广泛应用于臭氧合成、材料表面改性、紫外光源、飞机隐形、材料加工、污染控制和大面积显示等领域[1-2].根据不同的放电机理和放电形态，可将放电类型分为体放电和沿面放电.在过去的几十年里，体放电和沿面放电已经在非线性科学里成为一个热门课题，人们对此进行了大量实验研究.Zanin等[3]将一个中间有小孔的绝缘膜插入电极之间的气体放电单元，并观察到体放电和沿面放电呈现出一种齿轮的形状.Xu等[4]主要讨论了转移电荷对介质阻挡放电中体放电、沿面放电和微放电特性的影响.Pietsch等[5]对体放电和完全沿面放电的放电结构和转移电荷量进行了比较,并对影响臭氧产量和效率的场强分布和能量密度等参量进行了讨论.Kogelschatz等[6]收集并整理了各种体放电和沿面放电的放电现象,并通过自组织理论对它们进行了介绍.Brandenburg等运用先进的诊断手段对阻挡放电的演变过程进行研究，并通过快速光学和光谱方法对脉冲驱动的单个放电丝和微放电进行研究.以往的研究已表明，斑图能够保持稳定，放电丝的位置也几乎不变是由于介质表面沉积的壁电荷具有记忆效应.相邻沿面放电对彼此的分布产生影响.然而到目前为止，沿面放电对邻近沿面放电影响机理的进一步研究还没有报道.

本工作在介质阻挡放电系统中,观测了体放电和沿面放电，并研究了沿面放电对相邻沿面放电的影响.

1实验装置

实验装置如图1所示，2个装满水并用玻璃片密封的圆柱形容器组成了电极系统，而且2个金属圆环分别沉浸在2个圆柱形容器中.金属圆环可连接一个正弦交流高压电源，其中交流高压电源的电压和频率均可调.限制放电区域被封闭在边长为10 mm，间隙为3.8 mm内的正方形玻璃框架放置在两电极之间.整个电极装置放置在一个密封的气室内，气室内可以充入任意比例的氩气，气压也可以进行调节.气室两侧各有一观察窗，可用普通数码相机(Cannon Power Shot G11)进行拍照.高压探头(Tektronix P6015A 1000X)可以探测电源电压并能传输到示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz).

图1　实验装置　Fig.1　Schematic diagram of the experimental setup

2结果与讨论

2.1　放电区域内沿面放电形态的变化

图2给出了介质阻挡放电斑图随外加电压升高的演化序列和相应的电压和电流波形图.实验参数:正方形放电区域的长度L=10 mm，放电间隙d=3.8 mm，气体压强p=60 kPa，氩气体积分数φ=99.9%，外加电压的频率f=60 kHz.当外加电压达到气体击穿阈值3.16 kV时, 同种亮度且带有沿面放电的4个放电丝首先出现在正方形区域的4个角落里，此时的电流波形图出现1个脉冲.另外还能发现1个十字形暗线将正方形放电区域分为了4部分,且每部分都有1个正方形沿面放电使放电区域的形状看起来近似正方形(图2a).沿面放电和体放电的关系是密不可分的.体放电会造成电荷在介质表面沉积，而沉积的电荷又会产生平行于玻璃介质的电场.随着体放电的进行，当沉积电荷产生的平行于玻璃介质方向的电场超过1个临界值时，就会产生以体放电为中心，沿着玻璃表面的沿面放电.这种沿面放电产生一种类似在放电丝周围产生晕的效果，这种放电丝和“晕”分别称为体放电和沿面放电.当外加电压增加至3.32 kV时,第5个带有沿面放电的放电丝出现在放电区域的中心位置(图2b)，同时电流波形图的脉冲变成2个.从图2b中,可以发现沿面放电很好地分布在中央放电丝的周围.与图2a相比, 图2b中黑色暗线的形状已经发生改变,4个角落里沿面放电的分布已经近似于三角形.随着外加电压进一步增加至3.64 kV,中央放电丝和它的沿面放电分布范围变得比之前更大,而且几乎充满整个放电区域(图2c)，同时斑图的颜色从紫色变化到白色.此外, 角落里放电丝的大小并没发生改变,但角落里沿面放电的分布范围进一步缩小.上述斑图具有不同形态的沿面放电，这为下文通过模拟研究沿面放电之间的相互作用提供了非常好的模型.

a-c.对应的分别是外加电压为3.16 kV，3.32 kV和3.64 kV的放电图像；d-f.放电图像对应的电压和电流的波形.　图2　斑图的演化序列和相应的电压和电流的波形　Fig.2　Bifurcation scenario of the pattern and the corresponding wave forms of the appli

2.2　放电电场和电势模拟

对放电脉冲的积分得到单个放电丝在介质表面沉积的电荷量，把由体放电造成的电荷在介质表面堆积看成一个小圆盘,同时通过照片测得放电丝之间的真实间距，最后通过Matlab编程模拟了与斑图放电区域等大、表面沉积电荷分布全同的电势和电场分布如图3，此模拟的原理类似于文献[7].通过图3可以了解玻璃介质上沉积电荷产生的横向电场的方向，等电场的位置和等电势的位置.如果该沉积电荷产生的横向电场超过一个临界值,那么它将产生沿着玻璃表面方向的沿面放电.沿面放电产生的亮度只存在于在横向电场大于某一固定值的地方.玻璃介质表面的堆积电荷具有相同的电性，则不同堆积电荷产生的沿玻璃表面的分电场会产生相互抵消的作用.2个沉积电量相同的点在中垂线处电场抵消达到最大.4个堆积电荷的情况，由于电场的部分抵消，沿着2条中垂线方向电场为零或者小于沿面放电的阈值，造成此区域无沿面放电.图3模拟的十字形弱场强区域与实验所得图2b相符，这也就证明沿面放电不同的亮度分布是沿面放电相互作用而变形造成的.图2c中4个角落里放电丝周围的沿面放电由于受到中心放电丝沿面放电的抑制而减少.沿面放电分布受到毗邻沿面放电的影响，这也与上面的模拟完全符合，进一步证明沿面放电对周围沿面放电的分布是有抑制作用的.

a,b分别为4个放电丝放电图像的电场分布和电势分布模拟;c,d分别为升压后5个放电丝放电图像的电场分布和电势分布模拟.　图3　相应位置放电丝产生的表面电荷的电势和电场分布　Fig.3　Electric potential and electric field distribution of deposit charges generated by the corresponding filaments

3结论

实验研究和理论分析均表明：随着外加电压的升高，沿面放电随着体放电的增强而增强.沿面放电的亮度分布是由横向电场决定的，且等电场线上沿面放电的亮度相同.同一介质表面上相邻两沿面放电之间存在着作用力，此作用力抑制彼此的放电并影响着彼此放电区域的形状.

参考文献:

[1]CONRADS H, SCHMIDT M. Plasma generation and plasma sources [J]. Plasma Sources Sci Technol, 2000, 9(4): 441-454.

[2]KOGELSCHATZ U, ELIASSON B, EGLI W. Dielectric-barrier discharges: principle and applications [J]. J PhysⅣ, 1997, 7(C4): 47-66.

[3]ZANIN A L, LIEHR A W, MOSKALENKO A S, et al, Voronoi diagrams in barrier gas discharge [J]. Appl Phys Lett, 2002,81(18):3338-3340.

[4]XU Xueji. Dielectric barrier discharge-properties and applications [J]. Thin Solid Films, 2001,390:237-242.

[5]PIETSCH G J, GIBALOV V I. Dielectric barrier discharges and ozone synthesis [J]. Pure and Applied Chemistry, 1998,70(6):1169-1174.

[6]KOGELSCHATZ U. Collective phenomena in volume and surface barrier discharge [J]. Journal of Physics:Conference Series, 2010,257(1):012-015.

[7]孔祥鲲，原立格，杨宏伟.基于MATLAB构建点电荷系的电势与电场强度分布图 [J].实验技术与管理，2007,24(10):75-78.

KONG Xiangkun, YUAN Lige,Yang Hongwei. The distribution diagram of electric potential and electric field intensity in dot-charge system based on MATLAB [J]. Experimental Technology and Management, 2007,24(10):75-78.

(责任编辑：孟素兰)