气体放电斑图演变过程中的电子激发温度

刘书华,杨帆,宋建民,刘东州,刘立芳,那木拉

(1.河北农业大学理学院,河北保定 071001;2.河北农业大学机电工程学院,河北保定 071001)

气体放电斑图演变过程中的电子激发温度

刘书华1,杨帆2,宋建民1,刘东州1,刘立芳1,那木拉1

(1.河北农业大学理学院,河北保定 071001;2.河北农业大学机电工程学院,河北保定 071001)

为了探讨介质阻挡放电中斑图演变与等离子参量之间的内在联系,采用比较谱线相对强度法测量了介质阻挡放电斑图演变过程中电子激发温度的变化.结果显示:随着电压的升高,斑图类型由点状斑图逐渐演变为点线混合状斑图及线状斑图,在此过程中,电子激发温度逐渐升高.但当系统呈现点状斑图时,电子激发温度随电压增长缓慢,只有当系统呈现点线混合状斑图后,电子激发温度才随着外加电压显著升高.实验还测量了点线螺旋波斑图的电子激发温度随放电气体中空气含量的变化关系.结果表明:空气含量越大,则点线螺旋波斑图的电子激发温度越高.

介质阻挡放电;电子激发温度;斑图

斑图(pattern)是在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构,广泛存在于自然界,如动物的体表花纹、天空的云街及沙漠条纹等.随着斑图动力学在揭示自然界奥妙及其在各领域的广泛应用前景日益凸现[1-2],逐渐形成了世界范围的研究热潮.介质阻挡放电,是2个电极间至少放置1层电介质时产生的气体放电[3],由于其放电的可视化特性以及适度的斑图形成时间尺度,为斑图动力学研究提供了一个很好的实验系统.在该系统中已经得到诸如六边形、四边形、螺旋波等丰富的斑图类型[4-6].然而,对于介质阻挡放电斑图的形成机理,目前尚没有一个成熟的理论模型.而现有的斑图动力学唯象普适模型并不能完全描述介质阻挡放电系统中的斑图现象.要想从本质上描述介质阻挡放电中斑图自组织形成、选择和演化的物理机制,必须从等离子体放电机理出发,建立真正意义上的气体放电斑图模型,而模型的建立需要有大量实验数据的支持.本工作采用光谱法对介质阻挡放电斑图演变过程中的电子激发温度进行测量,探讨斑图演变与等离子参量之间的关系.该工作为研究介质阻挡放电斑图动力学机理提供了一种新的研究方法,为建立介质阻挡放电斑图模型提供实验基础.

1 实验装置与方法

实验装置与文献[7]基本相同,2个装满水的圆柱形容器,两端用厚度为1.5 mm的光学玻璃片封住,与高压交流电源两极相连的金属环浸入水中充当液体电极,端面玻璃充当电介质层.电源的电压为0～10 kV,频率为26～80 k Hz,放电气体为氩气或氩气和空气的混合气体.双水电极被放在密闭的气体反应室中.斑图的记录采用数码相机(Tek tronix TDS 3054B).用高压探头(Tek tronix P6015A,1000X)通过数字示波器实现对高压电源的频率和外加电压的监测,通过50Ω电阻测量电流信号.放电所发的光信号用光电倍增管(RCA 7265)探测,并输入数字示波器(Tektronix TDS3054,500 M Hz)进行采集记录.从放电间隙发射的光经焦距为10 cm透镜会聚后,由位于发光中心位置的光纤导入光谱仪,通过计算机采集并存储光谱信号.所采用的单色仪型号为ACTON SP-2758.

2 实验结果与讨论

实验中,拍摄斑图照片、采集发射光谱和测量放电信号同步进行.其他参数保持不变,在升高电压的过程中,放电系统经历了击穿放电—随机放电丝—六边形斑图—准晶态—点线混合态—花状斑图—网格斑图—反六边斑图等一系列演变过程.图1给出了斑图演化序列照片及相应的电信号.放电区域直径D=68 mm,气隙宽度d=1.5 mm.

可以看出,随着外加电压的升高,斑图形态由点状斑图逐渐演变为点线混合状斑图以及线状斑图.为了探讨斑图演变与放电等离子参量的关系,笔者对演变过程的电子激发温度进行了测量.实验中,在680～800 nm内测量了介质阻挡放电的发射光谱(曝光时间500 m s,入射狭缝宽度是50μm).选用763.51 nm(2P6→1S5),772.42 nm(2P2→1S3)2条谱线,通过比较其发光强度,对激发温度进行计算.计算原理见文献[8].

图2给出了电子激发温度在斑图演化过程中随外加电压的变化关系.图中的数据点是多次测量的平均值,误差棒是多次测量的最大偏差.AB区间内出现随机放电丝或六边形,BC区间内出现准晶斑图,CD区间内出现的是点线混合态,DE区间内出现的是花状斑图,EF区间内出现网格斑图,F后是反六边形斑图.可以看出,随着电压的升高,斑图类型由点状斑图逐渐演变为点线混合状斑图及线状斑图,在此过程中,电子激发温度总体上随着外加电压的升高而升高,但当系统呈现点状斑图时,电子激发温度增长缓慢,只有当系统呈现点线混合状斑图后,电子激发温度才随着电压显著升高.

图1 斑图演变过程及其电信号Fig.1 Bifurcation scenarios of patternsand the corresponding electric signals

电子激发温度应与放电时电极间的总电场强度成正比,也就是说,电极间的场强越强,则电子激发温度越高.外加电压较低时,区域中出现的是点状斑图,斑图背景为大片的暗区,这时有许多区域尚未放电.因此,在外加电压的上升沿,只要总电场在某处超过击穿阈值,就会在该处产生微放电,电压再升高,又会有其他某处的微放电出现(在实验中,放电丝的数量逐渐增多说明了这一点),使得电场又被拉回到击穿阈值附近.这样一来,放电时的场强始终保持在击穿阈值附近,因此,电子激发温度升高缓慢.

随着外加电压的升高,系统中出现点线混合状斑图或线状斑图,此时,斑图背景变得很亮,说明电场中基本上所有的地方都有过放电,再产生新的放电通道的机会不大,从而放电时通道中的场强可随外加电压幅值的升高而增强,因此,电子激发温度也随着外加电压幅值的升高而显著升高.

实验中,笔者还测量了电子激发温度随放电气体中空气含量的变化关系.图3为点线螺旋波斑图的电子激发温度与空气含量的关系.从图中看出,点线螺旋波斑图的电子激发温度随空气含量的增大而升高.在介质阻挡放电中,由于组成斑图的单元是放电丝(微放电通道),系统要形成特定的斑图类型,电流密度必须达到一定的数值.由于空气中的氧气是电负性气体,当放电气体中的空气含量增大时,氧分子含量增多,较多的电子被吸附,使得放电区域中雪崩的传播被减弱,电流密度相应减小.因此,要产生同样类型的斑图,需要提供更大的能量,从而需要升高外加电压,于是造成了电子激发温度的升高.由上面分析推得,在其他条件不变的情况下,增加放电气体中的空气含量,将导致斑图形成电压的升高.为了证明该推论,笔者对不同空气含量下的点线螺旋波形成电压进行了测量,发现其产生电压的确随放电气体中空气含量的增大而升高,与上述推论一致.例如空气体积分数为1.16%时,点线螺旋波的产生电压为3.1 kV,空气体积分数为1.8%时,产生电压为4 kV.

考察斑图演变过程中的放电信号(图1),可以看出,不同形态的斑图击穿放电时刻不同:在点状斑图区,击穿放电发生在电压波形的上升沿;准晶态斑图击穿放电发生在电压波形的过零点附近,点线状斑图及线状斑图击穿放电则发生在电压波形的下降沿.这一现象可解释为壁电荷作用的结果[5].介质阻挡放电过程中,正负带电粒子在电场的作用下分别向两极运动,沉积在介质表面形成壁电荷.壁电荷产生的内建电场对放电起着双重作用,本半周与外加电场反向,对放电起熄灭作用,下半周则与外加电场同向,对放电起促进作用,使得放电所需要的电压变小,上半周积累的壁电荷越多,放电所需的外加电压越小,放电的时刻越提前.当壁电荷足够多时,在电压的下降沿就可产生放电.由此可知,放电斑图的形态与介质层上形成的壁电荷的数量有关,当壁电荷较少时只能形成点状斑图,随着壁电荷数量的增多,斑图逐渐演变为点线状及线状.结合前面的讨论,可以得出,电子激发温度也应与壁电荷的数量有着密切的联系,进一步的研究正在进行中.

3 结论

用比较谱线相对强度法测量了斑图演变过程中电子激发温度的变化,结果显示:当系统呈现点状斑图时,电子激发温度随电压增长缓慢,只有当系统呈现点线混合状斑图后,电子激发温度才随着外加电压显著升高.实验还发现,点线螺旋波斑图的电子激发温度随放电气体中空气含量的增大而升高.

[1]FENTON F H,CHERRY EM,HASTINGS H M,et al.M ultip lemechanism sof spiralwave breakup in amodelof cardiac electrical activity[J].Chaos,2002,12:852-892.

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[4]GUREV ICH E L,ZAN IN A L,MOSKALENKO A S.Concentric-ring patterns in a dielectric barrier discharge system [J].Phys Rev Lett,2003,91:154501.

[5]董丽芳,刘书华,王红芳,等.介质阻挡放电中两种不同时空对称性的六边形发光斑图[J].物理学报,2007,56(6):3332-3336.

[6]DONGLifang,L IU Fucheng,L IU Shuhua,et al.Observation of spiral pattern and spiral-defect chaos in dielectric barrier discharge in argon/air at atmospheric p ressure[J].Phys Rev E,2005,72:046215

[7]董丽芳,李立春,齐玉妍,等.空气介质阻挡放电不同放电模式的光谱特性[J].光谱学与光谱分析,2008,28(4):745-747.

[8]董丽芳,齐玉妍,高瑞玲,等.中等pd值介质阻挡放电中等离子体温度研究[J].光谱学与光谱分析,2007,27(11):2175-2177.

Measure the Electron Excitation Temperature of the Pattern Bifurcation in Gas Discharge

LIU Shu-hua1,YANG Fan2,SONGJian-min1,LIU Dong-zhou1,LIU Li-fang1,NA Mu-la1
(1.Co llege of Science,A gricultu ral U niversity of Hebei,Baoding 071001,China;2.Co llege of Mechanic and Electric Engineering,Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)

To find the mechanism of pattern fo rmation in dielectric barrier discharge,the electron excitation temperatu re of pattern bifurcation w as m easured using intensity ratio method.The results show ed that the pattern evo lves f rom spo ts to mixture of spo ts and rollso r rollsonly as the app lied voltagewas increased.During the course,the electron excitation temperature increased gradually.However,the electron excitation temperature increased slow ly w hen the system disp layed spots patterns.The electron excitation temperature increased rapidly only after the system disp layed the mixture of spots and rolls pattern state.The relationship between the electron excitation temperature of dot-line spiral pattern and the air ratio mixed in the discharge gaswas studied.Itwas found that the larger ratio of the air was,the higher the excitation temperature of dot-line spiral was.

dielectric barrier discharge;electron excitation temperature;patterns

O 461.2;O 433.4

A

1000-1565(2010)05-0472-05

2010-04-10

河北农业大学非生命学科和新兴学科科研发展基金资助项目(FS200909);河北省自然科学基金资助项目(A2009000149);国家自然科学基金资助项目(10805013)

刘书华(1965—),女,河北平山人,河北农业大学教授,主要从事等离子体及斑图数值模拟方向研究.

(责任编辑:孟素兰)