脉冲重复频率对纳秒脉冲介质阻挡放电的影响

齐海成，张每英

（1.鞍山师范学院 物理科学与技术学院，辽宁 鞍山 114005；2.鞍山市广播电视学校 物理组，辽宁 海城 114200）

0 引言

近年来，大气压下的介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）受到越来越多的研究与关注［1］，它已经逐渐成为大气压下产生非平衡等离子体的最主要方式.目前，在许多工业领域中DBD均被广泛应用，比如工业中的材料处理、医疗卫生领域的杀菌消毒、工业上的臭氧合成、航空航天领域的发动机点火与助燃以及气体流动控制等等.多年来对DBD放电过程和原理的研究表明，阳极与阴极之间（放电空间）在外加电源电压激励下形成外加电场，由宇宙射线等产生的电子作为种子电子，种子电子受到此电场的作用，能量迅速增大，速度变大.当高速的种子电子与中性粒子碰撞时能够使其电离，产生的带电粒子又会被电场加速，再次发生电离，如此往复，两电极间产生放电.随着放电的进行，电子将在阳极一侧的介质表面积累，正离子在阴极一侧的介质表面积累.电荷分离导致气隙中形成内建电场，其方向与外加电场相反，两电场叠加.当总电场强度小于某一临界值时，放电熄灭；下半周期，外加电压方向改变导致电场方向改变.此时，内外电场方向相同，总电场瞬间超过气隙击穿的临界值，气隙中产生反向放电.一段时间后，带电粒子被消耗后又反向积累，内电场与外电场反向，总电场减弱，放电熄灭.每个脉冲周期的放电过程都将如此重复.文献中传统的介质阻挡放电采用交流激励的情况较多.但近十年来，脉冲功率技术得到了长足发展，能够产生脉宽很小、上升沿很短而且电压很高的电压脉冲，此类高压脉冲激励的放电等离子体也受到广泛研究［2］.大气压下用短脉冲高压激励介质阻挡放电时可以在阴阳两电极间形成非常大的电场，这将导致在瞬间形成无数个电子雪崩，放电因此表现为更加均匀的形态［3］.由于此类脉冲的宽度很小，气隙中质量较大的带电粒子几乎不受到电场的影响，因此基本不动.而电子由于其质量极小，在电场作用下加速，能量迅速增大［4］，这导致了短高压脉冲激励放电时具有极高的能量利用率［5］.另外，短高压脉冲放电时，两电极间的电压远高于产生放电所需要的最小电压，称为过电压击穿，在放电空间中瞬间产生很多高能电子，导致等离子体具有较多的活性粒子.因此，与交流DBD对比，纳秒脉冲DBD具有更高的能量利用效率、更加均匀的放电形态.同时，等离子体具有更高的电子密度和更好的化学活性.

由于上述优点，越来越多国内外学者们开始关注纳秒脉冲放电的机理研究和应用研究［6-11］.但由于纳秒脉冲放电过程本身非常复杂，放电过程中涉及大量的放电参数，如气隙间距、工作气体、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲上升沿等等.这些参数对放电均有一定影响，在前面的工作中本小组研究了气隙间距对纳秒脉冲放电的影响［6］.但到目前为止，关于纳秒脉冲放电的物理机制研究人员仍然没有达成一致意见，本文在大气压下空气中获得了稳定的纳秒脉冲放电，研究了脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF）对放电模式、击穿电压和放电电流的影响，并对其物理机制进行了细致的分析.

1 实验装置及诊断方法

图1为放电的实验原理图.放电系统由放电元件、纳秒高压脉冲电源和诊断系统三部分构成.两块平行放置的不锈钢板构成了放电元件，电极的长为100 mm、宽为40 mm、厚度为5 mm.1 mm厚度的云母片作为介质板经导电胶粘结在电极表面，电极间距可以在1至10 mm范围内调节.纳秒脉冲电源是由俄罗斯托木斯克理工大学高压所研制，电源主要包含低压脉冲发生器和变压器两部分，其平均输出功率大约为500 W.输出脉冲的峰值电压可达35 kV，脉冲的上升沿约为40 ns，脉冲的半高宽约为200 ns.脉冲重复频率（pulse repetitive frequency，PRF）可以在100～1200 Hz范围内调节，不同PRF下空载脉冲电压波形如图2所示，重复性较好.

实验中采用的诊断设备主要有Tektronix P6015A（1000×100 MΩ）高压探头、Tektronix TCP0150（150 A 20 MHz）电流探头、光电倍增管（photomultiplier，PMT）和数码照相机（尼康D3200）.分别用来探测放电的击穿电压、放电电流、对应的光电流信号和单周期的放电形态图像，其中电压、电流和光电流信号采用Tektronix DPO4104（带宽1.0 GHz，采样率5 GS/s）数字示波器记录并存储.通过对比电信号和光信号的波形来分析放电发生到熄灭的过程.放电图像用以观察和分析放电模式随PRF的变化.

2 实验结果和讨论

调整纳秒脉冲电源的重复频率为1200 Hz，同时控制两介质板间距离为2 mm，在放电达到稳定的状态下测量放电电压、放电电流和放电光电流的时间波形，对比如图3所示，可知，在一个脉冲周期内主要发生三次放电，依次称为主放电、二次放电、三次放电.主放电发生在电压脉冲的上升沿，当电场强度超过某一临界值时，气隙被击穿.二次放电发生在电压脉冲的下降沿（图中约300 ns处），与主放电的击穿方向相反.三次放电主要由于电压脉冲过后的电压振荡（图中约500 ns处）.从放电电流波形可知，主放电可以维持60 ns，最大电流值可达75 A.在电压脉冲的上升沿，随着加在两电极上的电压的逐渐升高，空间的电场逐渐增强，当超高某一临界值时，产生放电.放电过程中电子在电场作用下向介质板运动并最终在介质板上积累，正离子由于较大的质量，在几十纳秒的时间内难以响应电场的作用，留在放电空间形成空间电荷，所以形成电荷分离，随着放电的进行，电荷分离导致放电空间形成自建电场，其方向与外加电场方向相反.随着自建电场的增强，空间总电场被削弱，当总电场强度低于某一临界值时，主放电熄灭.由于放电产生的空间电荷和表面电荷具有较长的寿命，当电压下降时，气隙中的总电场迅速增大，导致二次放电与三次放电的发生.

调整放电气隙为3 mm，脉冲重复频率分别为100，300，600，1000和1200 Hz，稳定放电时测量其电压电流波形，并在6 mm的气隙间距下重复测量，实验得到击穿电压随频率的变化如图4所示.可知，两种气隙间距下，击穿电压都随着PRF的增加呈下降趋势.当PRF从100 Hz逐渐增大到1200 Hz时，击穿电压降低约7 kV，而且从图中可以看出，当频率低于1000 Hz时，随着频率的增大，击穿电压线性降低，当频率超过1000 Hz时，击穿电压随频率的变化减慢.文献［6］报道了类似的实验结果.

在放电气隙间距分别为3 mm和6 mm条件下，主放电强度如图5所示.可知，气隙较大时放电电流较小，而在放电气隙不变时，放电电流随脉冲重复频率的变化很小，3 mm气隙间距下，最大放电电流维持在60～65 A之间，6 mm的气隙间距下，最大放电电流维持在52～53 A之间.

针对上述结果，我们分析了PRF对纳秒脉冲DBD放电特性的影响.分析认为这样的现象主要归因于放电空间粒子的记忆效应.粒子的记忆效应在许多文献中都有过报道［7-8］，是指两次连续放电的时间间隔较短时，前一次放电所产生的粒子（包括离子及其他活性粒子）在后一次放电时还有一定的残余，这些残余粒子对放电的激发有一定的影响.当然在介质阻挡放电中，介质表面所积累的大量的表面电荷对下一个脉冲的放电也有一定的影响.研究表明，放电产生的带电粒子具有很长的寿命，甚至可以存活几百微秒甚至几秒的时间［10］，而且这些粒子（多数为粒子或其他活性基团）受外加电场的影响较小，一方面这些粒子质量较大，另一方面电压脉冲脉宽较小，其在空间产生的电场维持时间较短.所以，这些粒子很难响应电场，将被留在气隙中.而下一个电压脉冲到来时，这些正离子在空间形成的电场与外加电场具有叠加作用，使总电场加强，导致气隙击穿所需要的外加电压减小.在高频率时，相邻脉冲的时间间隔较短，后一次放电时，残余粒子较多，所以此时记忆效应更显著.放电气隙间距一定时频率对放电电流无明显影响.一方面可能是由电源的特性决定的，另一方面，不同频率时放电模式不同也可能是电流无明星变化的一个原因.低频率下，放电以丝状放电为主，以弥散放电为背景.高频率时，放电主要表现为弥散放电模式，带有极少量的丝状放电通道.对于丝状放电，通道中的电离度很高，具有较大的电流密度，但是有效放电面积较小，而弥散放电虽然电流密度相对较低，但是有效放电面积较大.所以虽然放电模式不同，但放电电流却无明显变化.

调整放电气隙间距为4 mm时，在不同频率下获得稳定放电.放电的单周期放电图像如图6所示.当PRF为100 Hz时，气隙中存在着大量的细丝状放电通道，同时具有弥散放电背景；当PRF增大到300 Hz时，丝放电通道明显减少；PRF增大到600 Hz时，只存在少数的细丝状放电通道；当PRF高于1000 Hz时，没有明显的放电通道产生，放电基本上为弥散放电.即随着PRF的增大，放电逐渐由丝状放电模式转变为弥散放电模式.通过对比不同气隙下的放电图像可知，放电模式也与电极间距有关.实验结果表明，在较小的放电间距（2 mm）下，即使低至100 Hz，放电模式也基本为弥散放电，极少有明显丝通道产生；在较大的放电间距（7 mm）下，即使频率高达1200 Hz，放电也表现为明显的丝状放电模式.经分析，空间粒子的记忆效应是放电模式转变的主要原因，放电空间中残余粒子的密度及其分布对放电模式有明显影响［11］.频率较高时，相邻脉冲时间间隔较小，后一次放电前放电空间的残余粒子密度较大，但会随着热扩散有一定的横向扩散.所以对于后一次放电来说，种子电子密度较大，而且分布比较均匀.当两电极间距大时，丝放电通道间距较大，在相同的时间间隔内这些粒子的径向扩散距离基本保持不变，因而后一次放电时这些粒子不能在整个空间内达到比较均匀的状态，所以大频率下依然表现为丝状放电模式.

3 结论

本实验研究了脉冲重复频率对放电特性和放电形态的影响.实验研究表明，在一定的放电间距下，随着脉冲频率的增大，击穿电压逐渐减小，这归因于气隙内粒子的记忆效应.PRF越大，脉冲时间间隔越小，前一脉冲放电所产生的粒子在后一脉冲放电时仍有很高的密度，使得击穿电压减小.但是，放电气隙间距一定时频率对放电电流无明显影响，一方面可能是由电源的特性决定的，另一方面，不同频率时放电模式不同也可能导致此现象.其他放电参数一定时，低的PRF将导致放电空间中形成丝状通道，高的PRF更容易产生弥散放电.此外，放电模式与放电发生时空间的残余粒子密度和分布有一定关系.高频时，记忆效应明显，放电的弥散性较好.