介质阻挡放电中白眼超点阵同心圆环发光斑图

郭丽婷， 董丽芳， 王朝阳， 孙浩洋， 于广林， 李彩霞， 范伟丽

(河北大学 物理科学与技术学院， 河北 保定 071002)

1 引 言

介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge，DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电[1-4]。介质阻挡放电不仅具有装置操作方便、造价低、结构简单等显著优点，而且还可以在大气压或者近大气压条件下工作，所以被广泛应用于工业生产中[5-7]。介质阻挡放电系统作为一种非线性系统，在该系统中产生了各种各样的非线性斑图[8-11]。

斑图是宏观上具有周期规律性的结构，是一种典型的非线性自组织现象，广泛存在于自然界和实验系统。如动物体表花纹、法拉第系统、化学反应扩散系统、介质阻挡放电系统[12-15]等。DBD斑图是等离子体微放电通道的周期性排列[16-18],在DBD系统内获得了各种类型的斑图，如四边形、超点阵四边形、六边形、超点阵六边形、蜂窝六边形斑图等，但对于同心圆环的报道相对比较少。2003年，Purwins在DBD系统中发现了具有反演特性的同心圆环斑图[19]；2011年，Liu等在DBD系统中发现了随着外加电压的增加，圆环数目发生变化的疏密点同心圆环[20]；2016年，Feng等在DBD系统中发现了同心圆环斑图，通过高速照相机研究斑图的时空结构发现该斑图由同心圆环、同心蜂窝框架和同心点阵三套子结构嵌套形成[21]。

近些年来白眼斑图和黑眼斑图作为一种复杂的斑图受到研究者们的广泛关注，Yang等观察到了黑眼斑图并利用反应扩散方程模拟出了白眼斑图。黑眼斑图的中心呈黑色，周围被白环围绕，是由两套共振六边形嵌套形成的；而白眼斑图是中心呈白色,周围被黑环和白环围绕的一种结构[22]。Zhao等研究了白眼六边形斑图，发现它是由点、环、晕三套子结构组成[23]。本工作发现了由点阵圆环和白眼圆环嵌套形成的白眼超点阵同心圆环发光斑图。

本实验首次在DBD系统中发现了白眼超点阵同心圆环发光斑图。通过研究该斑图的时空动力学，发现该斑图由三套子结构嵌套而成，分别是点阵圆环、白眼中心点圆环、白眼晕圆环。使用高速照相机对斑图进行分脉冲拍摄研究斑图的时空结构；使用高速录像机研究斑图在短曝光时间内的微观放电特性，发现每个体放电都伴随沿面放电；使用光电倍增光对不同结构进行时间相关性的测量。该结果不仅补充了介质阻挡放电系统中斑图的类型，而且推动了壁电荷理论对斑图形成的解释。

2 实 验

实验装置如图1所示。两个浸有铜圆环的圆柱，在其中注入水，两端用玻璃板密封，作为水电极。两个水电极中的铜圆环分别连接高压电源的两极，将水电极平行放置在可视的密闭容器内。密闭容器连接真空泵和氩气罐，通过调控氩气和空气的比例以及容器内的压强来调控斑图的变化。本实验在两个水电极之间放入了一个半径R=1.55 cm、厚度T=2.6 mm的圆形边界玻璃片,作为放电介质。密闭容器内氩气含量为84.85%，压强为33.44 kPa。通过改变外加电压得到了如图2所示的演化序列。在密闭容器外的可视窗口处，用数码相机(Canon PowershotG16)拍摄斑图的演化序列，并用数字示波器(Tektronix DPO4054,500 MHz)记录电流-电压波形情况。用高速照相机(HSFC Pro,3channels)分脉冲拍摄瞬时照片研究斑图的时空结构。将光电倍增PMT(RCA7625)采集的光信号输入到示波器记录并存储来研究不同结构上放电丝的时间相关性。用高速录像机研究了斑图在短曝光时间内的微观放电行为。

图1 实验装置示意图

3 结果与讨论

图2是本实验获得的白眼超点阵同心圆环发光斑图的演化序列。当外加电压为1.92 kV时，气体被击穿出现随机放电丝,如图2(a)；增加电压至2.32 kV出现同心圆环，如图2(b)；当电压加到3.20 kV时，出现了本文研究的白眼超点阵同心圆环发光斑图，如图2(c)所示，在该斑图中，从中心开始计数，用O表示奇数圈圆环中的放电丝，E表示偶数圈白眼中心点放电丝，H表示白眼晕；当电压升到4.16 kV时，斑图变成混沌态，如图2(d)所示。

图2 随外加电压增加斑图的演化序列。(a)随机放电丝，V=1.92 kV;(b)同心圆环，V=2.32 kV;(c)白眼超点阵同心圆环发光斑图，V=3.20 kV;(d)混沌态,V=4.16 kV。其他实验参数：d=2.6 mm,χ=84.85%,P=33.44 kPa,f=53 kHz。

Fig.2 Pattern evolution with the increase of the applied voltage. (a) Random filaments,V=1.92 kV. (b) Concentric ring,V=2.32 kV. (c) White eyes superlattice concentric ring luminescent pattern,V=3.20 kV. (f) Unsteady pattern,V=4.16 kV. Experiment parameters:d=2.6 mm,χ=84.85%,P=33.44 kPa,f=53 kHz.

为了进一步研究该斑图的时空结构，使用多通道高速照相机对斑图进行分脉冲拍摄，如图3所示。图3(a)是半个周期内的电流电压脉冲图；图3(b)～(d)是高速照相机分脉冲拍摄的叠加50个周期染色后的图片，3个电流脉冲的曝光时间分别是Δt1=1 010 ns,Δt2=1 950 ns,Δt3=670 ns；图3(e)是前3个脉冲的叠加。从图3(b)～(d)可得知放电丝O首先在电压上升沿的电流脉冲段Δt1处放电，接着白眼晕H在电压上升沿的电流包络Δt2处放电。放电丝E在下降沿电流脉冲段Δt3处放电。从图3(d)中看到，除了放电丝E在Δt3脉冲段放电还有部分放电丝O在此放电，表明该斑图的放电顺序是:放电丝O-白眼晕H-放电丝E和部分放电丝O。另外还可以发现放电丝E和放电丝O、晕H的放电形式均为体放电。对比图3(c)和图3(e)中黄色方框圈出的部分，可以发现部分放电丝O与晕H重合。

图3 高速照相机曝光示意图及拍摄照片的染色叠加。(a)白眼超点阵同心圆环发光斑图的电压电流波形图；(b)～(d)曝光时间为Δt1、Δt2和Δt3(Δt1=1 010 ns,Δt2=1 950 ns,Δt3= 670 ns) 的高速照相机照片；(e)(b)～(d)的叠加，(b)～(d)是50个周期的叠加。

Fig.3 Instantaneous images of the concentric ring with white eyes pattern. (a) Waveform of the applied voltage and current of the white eyes superlattice concentric ring luminescent pattern. (b)-(d) Taken by a high speed camera correlated with the current pulse phase (Δt1=1 010 ns, Δt2= 1 950 ns, Δt3=670 ns) in (a). (e) Superposition of (b)-(d), (b)-(d) integrated over 50 voltage cycles.

实验进一步利用更为灵敏的光电倍增管对放电丝O位置处的放电特性进行研究，如图4所示。发现两种情况:第一，如图4(a)所示，放电丝O位置处的光信号首先在电压上升沿的第一个电流脉冲放电之后，在本周期电压下降沿又放了一次电；第二，如图4(b)所示，其在电压上升沿的第二个电流脉冲放电之后，在本周期的电压下降沿又放了一次电。

由于多通道高速照相机不能将下降沿放电的放电丝O与E分开，本实验用两个光电倍增管同时测量研究放电丝O和放电丝E的时间相关性，结果如图5所示。

图5(a2)、(b2)、(c2)分别是图5(a1)、(b1)、(c1)图中的局部放大图，从图中观察到当放电丝O在下降沿放电时，图5(a2)放电丝O在放电丝E之前放电；图5(b2)放电丝O在放电丝E之后放电；图5(c2)放电丝O与放电丝E同时放电。所以当放电丝O在下降沿放电时，与放电丝E的放电顺序随机。

图4 放电丝O位置处的光信号的测量，V为电压曲线，I为电流曲线，A对应放电丝O的位置。

Fig.4 Optical signal at O area of discharge filaments,Vstands for waveform of the applied voltage,Istands for waveform of the current, A is the area of O discharge filaments.

图5 放电丝O与放电丝E光信号相关性测量

本实验接着使用高速录像机拍摄不同曝光时间的录像照片，选取了曝光10 μs和20 μs下的两张照片，如图6所示，观察发现每个体放电周围都有爪子形状的沿面放电，且沿面放电的方向是伸向四周的[24]。

图6 曝光10 μs和20 μs的照片

根据以上实验所得到的结果，利用壁电荷理论可以解释说明该斑图的形成机制[25]。首先放电丝O在电压上升沿的第一个脉冲放电，放电产生的电荷在外加电场的作用下向两极运动，最终积累在电介质表面形成壁电荷，此时会形成一个与外加电场方向相反的内建电场Ec来阻碍这次放电。继续加压，距离放电丝O越近的地方禁阻作用越强，越远禁阻作用越弱，所以距离放电丝O较远的区域会出现放电丝形成晕H。晕H积累的壁电荷形成壁电荷场Eh，晕H放电所需要的电压高，所以Eh>Ec。在介质板上积累的壁电荷会形成两个方向的电场，除了与外加电场方向相反的电场，另一个是与介质面平行的电场，被称为横向电场。由于横向电场足够大，所以在平行介质板的方向上有沿面放电的存在，研究发现沿面放电是由体放电诱导产生的[26]。晕H放电结束后整个极板上的壁电荷场与外加电场方向相反，会抑制放电，最终熄灭放电。在电压下降沿,随着外加电场变弱,电压下降沿的放电主要由上半周期内沉积的壁电荷所主导，晕H积累的壁电荷使得放电丝E在电压下降沿放电。放电丝O本身积累的壁电荷以及晕积累的壁电荷使得放电丝O在本周期的电压下降沿又放了一次电。由于沿面放电对表面壁电荷有重排作用，所以导致了放电丝O与放电丝E在电压下降沿放电顺序随机。

4 结 论

本实验在空气和氩气的混合气体中，首次发现了白眼超点阵同心圆环发光斑图。该斑图由奇数圈的点阵圆环和偶数圈的白眼圆环嵌套而成。用高速照相机和光电倍增管以及高速录像机对该斑图的时空动力学进行研究，发现该斑图的放电顺序是放电丝O-白眼晕H-放电丝E和部分放电丝O；晕在奇数圈的随机性导致部分放电丝O与晕H重合，进一步导致了部分放电丝O在电压下降沿的放电；该斑图的每个体放电都伴随沿面放电，沿面放电对壁电荷的重排作用导致了放电丝O与放电丝E在下降沿放电顺序的随机性。该实验结果不仅扩充了介质阻挡放电系统中发光斑图类型，而且推动了壁电荷理论对斑图形成机制的解释。