介质阻挡放电中栅栏发光斑图等离子体参量研究

2015-07-02董丽芳

发光学报 2015年12期

关键词：电子密度栅栏谱线

张浩,董丽芳,高星,王浩

(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)

介质阻挡放电中栅栏发光斑图等离子体参量研究

张浩,董丽芳*,高星,王浩

(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)

采用高速录像机和光谱仪,研究了在双水电极介质阻挡放电装置中首次得到的由长短交替的棒状放电结构组成的栅栏斑图。通过观察20μs曝光录像照片发现栅栏斑图由体放电和沿面放电组成。采用发射光谱法,利用N2第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线和ArⅠ(2P2→1S5)谱线的展宽,分别测量和比较了不同体放电和沿面放电不同位置处的分子振动温度和电子密度。结果发现:斑图中具有较强沿面放电的体放电比具有较弱沿面放电的体放电拥有较高的分子振动温度和电子密度;在沿面放电的方向上,沿面放电的分子振动温度和电子密度均逐渐降低。理论分析证明,壁电荷在狭缝内的非等量分布是影响栅栏斑图形成的主要因素。

介质阻挡放电;栅栏发光斑图;分子振动温度;电子密度

1 引言

介质阻挡放电是一种交流电压驱动的非平衡态气体放电[1-2]。在过去几十年,介质阻挡放电因其在聚合物表面改性、材料表面处理、臭氧合成、等离子体化学气相沉积等工业领域[3-8]有着广泛的应用而成为一个研究热点。

近年来,介质阻挡放电因其能快速产生丰富多样的斑图[9-10]而再一次引起了人们的关注。2000年,Walhout小组报道了一种静态的一维放电斑图并对其时空结构进行了研究。2004年, Purwins报道了一种动态斑图,该斑图中放电丝按六边形排列并且发生旋转。近十几年,本小组报道了超点阵、格子态、螺旋波、条纹斑图等种类繁多的斑图,引起国内外同行的广泛关注。

在介质阻挡放电系统中,当电极间电压达到气体放电的击穿阈值时,放电气隙内气体会被击穿而形成垂直于介质板方向的圆柱形体放电。这些体放电通道之间存在库仑力和洛伦兹力,在二力的共同作用下放电丝会自组织成在时间或空间规律分布的稳定结构。随着体放电的进行,体放电通道中传输的电荷会在介质表面沉积形成壁电荷,并且壁电荷对之后体放电的产生具有重要影响[11]。近年研究发现,当壁电荷达到一定量后会产生一种平行于介质面方向的沿面放电。随着沿面放电的进行,体放电位置处沉积的壁电荷会被逐渐分散,造成介质表面的壁电荷分布发生变化,进而影响斑图的形成。因此为了更进一步研究斑图形成,对于沿面放电的研究就显得尤为重要。

以往的研究已证实,沿面放电之间具有相互抑制的作用[12]。为了更大限度地得到沿面放电,对沿面放电进行更深入研究。本文选用一维狭缝作为放电边界,减少沿面放电受抑制的维度,从而得到栅栏斑图。在栅栏斑图中,体放电等间距分布在狭缝之间,沿面放电的放电方向与狭缝方向相垂直,并且其放电强度存在强弱交替的现象。

采用高速录像机获得了栅栏斑图的短曝光照片,利用发射光谱法研究了斑图中体放电和沿面放电的分子振动温度与电子密度,并对栅栏斑图的形成机理做出了解释。

2 实验

如图1所示,实验装置是由放电室、水电极、高压驱动电源以及数据采集系统4部分组成。放电室设有入气口和出气口,并连接气压压力计来检测其内部气压值。圆柱形容器两端被厚度为1.8 mm的石英玻璃封住,并在其内部充满水,即为本实验所用水电极。两个水电极分别用金属环引出与高压交流电源两极相连,本实验将驱动频率设定为54 kHz,电压在0～12 kV范围内可调。高压探头(Tektronix P6015A 1000X)连接水电极的两端,其信号被输入示波器以用来监测和记录放电电极两端电压。两电极平行放置,中间夹有厚度为4.6 mm、间隙为1 mm的“一”字形狭缝的玻璃框架。整个电极置于上述放电室内,放电室内部充满氩气和空气的混合气体且气压维持在20 kPa,其中氩气所占体积分数为96%。反应室两侧设有透明观察窗,一侧放有数码相机(Canon G16)和高速录像机(HSFC pro)对发光斑图进行拍照和短曝光录像,另一侧放置透镜和光谱仪(ACTON SP-2758,CCD:1 340×400 pixels,光栅: 300,1 800,2 400 lp/mm)对发光斑图进行光谱诊断。气体放电发出的光经透镜会聚后,由光纤导入光谱仪并由计算机采集和存储,可以通过移动光纤探头采集不同位置发射的光。

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

3 结果与讨论

3.1 放电斑图演化序列

图2展示的是随外加电压升高,狭缝边界内放电结构的演化序列。当外加电压达到1.36 kV时,狭缝放电区域内首先出现等间距的放电点;当外加电压达到2.86 kV时,开始产生垂直于狭缝方向的等长度棒状放电,此时放电点变大且间距增大;随着外加电压增加至4.52 kV,等长度棒状放电开始分化为长短交替的棒状放电;当外加电压进一步增加至5.6 kV时,长短交替的棒状放电达到稳定,同时放电点也是大小交替存在,由于其形状类似栅栏,因此称之为栅栏斑图。

图2 栅栏发光斑图随电压升高的演化序列。实验参数:氩气体积分数96%,外加电压驱动频率f=54 kHz,气压P=20 kPa,气隙厚度d=4.6 mm,狭缝宽度L=1 mm,照片曝光时间t=25 ms.Fig.2 Evolution of fence pattern in air-argon dielectric barrier discharge with the increase of applied voltage. Experimental parameters:the argon volume fraction φ=96%,driving frequency f=54 kHz,gas pressure P=20 kPa,gas gap d=4.6 mm,width of slit L=1 mm,exposure time of photographs t=25 ms.

3.2 斑图短曝光录像

图2中相机曝光时间为25 ms,照片是数千次放电累积的结果。为了更好地了解栅栏斑图的放电过程,需要对放电进行短曝光拍摄。将高速录像机曝光时间设置为20μs对图2(d)中栅栏斑图进行录像。通过观察录像照片,我们发现栅栏斑图中亮点和棒状放电结构分别为体放电和沿面放电。A和B两种体放电大小不等且伴随的沿面放电也强弱不同。沿面放电的放电强度从中心到边缘逐渐降低,如图3所示。

图3 曝光时间为20μs的照片Fig.3 Picture taken by a high speed video camera,and the exposure time of photograph t=20μs.

3.3 等离子体参数研究

在图3中可以明显观察到A、B两点大小不同且亮度存在差异,以上差异表明A、B两点所处的等离子体状态可能不同。因此我们采用发射光谱法,研究了A和B两位置处体放电分子振动温度和电子密度的大小。选择光谱仪的300 G/mm光栅采集氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线,并利用氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线中的370.9,375.4,380.4,394.2,399.7,405.8 nm位置处的6条谱线计算分子振动温度的大小。选择光谱仪的2 400 lp/mm光栅采集氩原子696.57 nm(2P2→1S5)谱线,并通过谱线的展宽比较电子密度的大小。

图4为A和B两体放电位置处波长在360～420 nm内的光谱谱线。从图中光谱谱线可看出, A点的发光强度大约为B点的2倍。经过计算发现,A点的分子振动温度约为3 040 K,要比B点的分子振动温度2 570 K高近500 K。

图4 栅栏发光斑图中A和B在360～420 nm处的发射谱线Fig.4 Molecular vibrational temperature corresponding to A and B in fence pattern

图5为归一化后的A、B两体放电位置处的ArⅠ696.5 nm谱线,其中右上角为谱线右支方框区域的放大图。在放电等离子体中,由于Stark效应,非氢原子ArⅠ(2P2→1S5)发射谱线的展宽与体放电通道内的电子密度近似成正比。所以,可通过原子发射谱线696.5 nm处展宽的大小来反映电子密度的大小。从图中可以看出,A点的谱线展宽大于B点的谱线展宽,这反映出A点位置处体放电通道中的电子密度要比B点大。壁电荷是放电通道中电荷在介质表面沉积造成的,则可根据A放电通道电子密度比B大得出在A点沉积的壁电荷要比B点多。

图5 栅栏发光斑图中A和B在氩原子696.5 nm处的谱线Fig.5 Profiles of the spectral line 696.5 nm of A and B in fence pattern

众所周知,沿面放电是由沉积在介质板表面的壁电荷诱导产生的。当沉积在介质板表面的壁电荷产生的平行于玻璃介质表面方向的电场超过一个临界值时,就会产生沿着玻璃表面的沿面放电,并且壁电荷越多,沿面放电越强。同时沿面放电之间存在相互抑制作用,则沿面放电会朝着受抑制弱的方向(即垂直狭缝的方向)放电,形成肉眼所看到的棒状放电结构。经过以上分析发现,正是介质表面上壁电荷在狭缝内的非等量分布造成了沿面放电强度强弱交替的出现,影响了栅栏斑图的形成。

壁电荷影响着沿面放电,同时沿面放电对壁电荷分布和斑图的形成也具有重大影响,因此对沿面放电的研究也十分重要。在栅栏斑图中,沿面放电被近似地限制在一维方向上,这为测量沿面放电方向上沿面放电等离子体参量变化提供了方便。分别对图3中标识的1,2,3,4,5这5个位置处等离子体的分子振动温度和电子密度进行了测量和比较,其中1,2,3,4,5代表的实际位置分别为距离体放电0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 cm。对于实际距离的测量是通过斑图通过透镜成像于坐标纸上,再根据光谱采集点的坐标与实际装置的比例得到的。

图6给出了上述5个位置处沿面放电的分子振动温度。由图可见,沿面放电的分子振动温度从3 600 K逐渐降低至2 800 K,也就是说在沿面放电的方向上,分子振动温度逐渐降低。

图6 不同位置处沿面放电分子振动温度的变化Fig.6 Molecular vibrational temperature corresponding to different position of surface discharge

图7给出了上述5个位置处沿面放电696.5 nm处发射谱线展宽的变化。由图可见,在沿面放电的方向上,谱线的展宽逐渐减小,反映出电子密度逐渐降低。这为以后对沿面放电不同位置处等离子参量的研究提供了重要的参考依据。

图7 不同位置处沿面放电696.5 nm处谱线展宽的变化Fig.7 Broadenings of spectral line 696.5 nm corresponding to different position of surface discharge

4 结论

采用高速录像机和光谱仪,研究了在双水电极介质阻挡放电装置中首次得到的由长短交替的棒状放电结构组成的栅栏斑图。实验发现,栅栏斑图包含体放电和沿面放电两种放电形式,且棒状结构是由沿面放电受到抑制作用后形成的。利用发射光谱法对其等离子体参数进行研究发现:斑图中具有较强沿面放电的体放电比具有较弱沿面放电的体放电拥有较高的分子振动温度和电子密度;在沿面放电的方向上,沿面放电的分子振动温度和电子密度均逐渐降低。理论分析证明,壁电荷在狭缝内的非等量分布是影响栅栏斑图形成的主要因素。

参考文献:

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Investigation on The Plasma Parameters of The Fence Pattern in Dielectric Barrier Discharge

ZHANG Hao,DONG Li-fang*,GAO Xing,WANG Hao

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)
*Corresponding Author,E-mail:donglf@hbu.edu.cn

The fence pattern that consists of volume discharges(VDs)and surface discharges (SDs)is observed by using the dielectric barrier discharge device with two water electrodes.The VDs uniformly distribute along the slit,and SDs are perpendicular to the slit and own two kinds of intensity.The short-exposed photograph is obtained by a high speed video camera.The plasma parameters of fence pattern are investigated by spectrograph.The emission spectra of the N2second positive band(C3Πu→B3Πg)is collected,and themolecule vibrational temperature is calculated by the emission intensities.Furthermore,the width of ArⅠ696.5 nm is used to estimate the electron density.The results show that the volume dischargeswith strong surface discharges have highermolecule vibrational temperature and higher electron density than those with less surface discharge.Besides,along the surface discharge direction,surface discharge's molecule vibrational temperature and the electron density gradually decrease.The unequivalent distribution of the wall charges contributes to the formation of fence pattern.

dielectric barrier discharge;fence pattern;molecular vibrational temperature;electron density