介质阻挡放电中带线六边形斑图

王玥，潘宇扬，李耀华，李彩霞，赵薇，付少铎

(1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002 ；2.河北大学 质量技术监督学院， 河北 保定 071002；3.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

斑图是一种广泛存在于自然界与实验系统中的典型非线性自组织现象，其系统内微观参量相互作用从而导致宏观参量有序排布.研究者们在自然界[1-4]、法拉第系统、化学反应扩散系统、介质阻挡放电系统[5-9]等系统中都观察到了斑图的存在，其中介质阻挡放电系统因其操作简便、产生的自组织斑图种类丰富且斑图发光便于测量得到了广泛关注.介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)系统是一种非平衡态气体放电系统[10-13]，其至少有1个电极被电介质所覆盖.介质阻挡放电因其装置简单易于操作等优点被广泛应用于工业生产等领域[14-15].近年来DBD被广泛应用于斑图领域研究，德国Purwins小组、美国Breazeal小组和Walhout小组、法国Boeuf小组、大连理工王德真小组、北京理工欧阳吉庭小组等都在对DBD系统中发光斑图的研究中取得了一些研究成果[16-23].

本实验小组首次采用双水电极介质阻挡放电装置对DBD系统中发光斑图进行研究，得到了丰富多样的斑图，如四边形斑图、六边形斑图、蜂窝斑图、条纹斑图、白眼超六斑图、疏密点同心圆环斑图、亮暗点超六斑图等[16-23].文献[24]在DBD系统中发现了由中心点、围绕中心点环、环外6个点组成的单晶胞白眼斑图；文献[25]在DBD系统中发现了由中心点、小点、线、晕组成的点线白眼超六边形斑图，其中点、线分属2套不同的结构；文献[26]在DBD系统中发现了由小点、线、晕、中心点组成的点线白眼超点阵六边形斑图，其中线是由小点诱导产生的SDs.在本实验室之前发现的由点、线组成六边形中，当线与小点不同属一套结构时，线由随机放电丝组成；当线与小点同属一套结构时，线由小点的沿面放电组成.

本实验首次在DBD系统中发现了放电全部发生在上升沿，线是由随机放电丝组成且和小点同属一套结构的带线六边形斑图.利用高速照相机和光电倍增管对斑图的时空结构和时间相关性进行测量，通过对其时空动力学的研究发现该斑图由带线六边形内的中心点、带线六边形上的点及2个点之间的线和带线六边形内晕3套子结构组成且放电全部发生在上升沿.利用高速录像机对斑图的放电类型进行研究，发现2个带线六边形上的点之间的线是由随机放电丝组成.该结果对具有六边形框架结构的斑图有了新的认识，推动了壁电荷理论的发展.

1 实验装置

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup diagram

实验装置如图1所示，主要由正弦交流等离子体发生器、示波器、2个水电极、ICCD相机和高速录像机组成.水电极是由2个玻璃板密封住一个充满水的圆柱构成，在其中的一侧浸入一个铜环并与交流电源连接.将水电极平行放置在可视的真空室内，真空室带有氩气和空气进气口并且与真空泵相连接，通过调节充入的气体及腔内气压来实现对斑图的调控.本实验在2个水电极之间放入了一个边长为3.375 cm、厚度为3 mm的正方形边界玻璃片作为放电介质.密闭容器内氩气含量为72.5%，压强为35 kPa.改变外加电压得到了图2所示的斑图演化序列.实验过程中，外加电压通过高压探头(TeKtronix P6015A 1000X)来检测，利用数字示波器(TeKtronix TDS4104B)显示和保存电流电压信息；利用光电倍增管(PMT)接收光信号，接收的光信息由数字示波器存储；利用数码相机(Canon EOS 6D and Canon Macro 100 mm)、高速录像机(HFVC; pco. dimax S4)、电感耦合增强设备(HSFC; pco. Pro 12 Bit)等仪器拍摄斑图的照片.

2 结果与讨论

2.1 带线六边形斑图的演化序列

图2是随着外加电压升高带线六边形斑图的演化序列.当电压为1.93 kV时，出现随机放电丝如图2a所示；升高电压至3.94 kV时出现六边形斑图如图2b所示；继续升高电压至5.70 kV时，出现本实验所研究的带线六边形斑图如图2c所示，C表示带线六边形内的中心点，V表示带线六边形上的点，L表示2个带线六边形上的点之间的线，H表示带线六边形内晕；当电压升至7.00 kV时，斑图演化至混沌态如图2d.

a.U=1.93 kV;b.U=3.94 kV;c.U=5.70 kV;d.U=7.00 kV.图2 随外加电压升高斑图的演化序列Fig.2 Evolution of patterns with increasing voltage

2.2 带线六边形斑图的时间相关性测量

利用多通道高速照相机对斑图进行分脉冲拍摄来研究斑图的时空分布，由电压电流波形图可知本实验所得到的斑图在半个电压周期内共有3个电流脉冲，如图3所示.利用高速照相机的3个通道对斑图进行分脉冲多次叠加拍摄，3个电流脉冲的曝光时间分别是Δt1= 790 ns,Δt2= 1 150 ns,Δt3= 1 430 ns；叠加次数为50个周期，染色后如图4a-c.图4d为图4a-c的叠加.由图4a-c可知中心点C在半个电压周期内电压上升沿Δt1所对应的电流脉冲放电，带线六边形上的点V和2个V点之间的线L在半个电压周期内电压上升沿的Δt2时刻所对应的电流脉冲放电，带线六边形内晕H在半个电压周期内电压上升沿的Δt3时刻所对应的电流脉冲放电.由此可知该斑图的放电顺序为C-V+L-H，且在每半个电压周期内都遵循此规律.所有放电都发生在电压上升沿且在无下降沿放电，这与之前所得到的具有六边形结构的斑图的放电规律有所不同.

为了进一步对带线六边形斑图的放电特性进行研究，利用2个光电倍增管同时对V、L进行测量.结果如图5所示，V、L在每半个电压周期放1次电，且都在第2个电流脉冲(Δt2时刻)放电.对电流脉冲及光信号图像进行放大处理发现V、L的放电时间较为接近但放电顺序没有规律.通过光电倍增管的测量结果可知不能将V、L完全分开，这也与之前通过高速照相机所得到的结果图4b相符合.

图3 电流电压波形Fig.3 Waveforms of the voltage and the current

a.中心点; b.六边形上的点及线; c.晕; d.图a、b、c的染色叠加.图4 高速照相机拍摄的照片及其叠加Fig.4 Photos of high-speed camera and the superposition of the three pictures

a.V在L之前放电; b.V在L之后放电.图5 V与L光信号相关性测量Fig.5 Temporal correlation measurement between V and L

2.3 带线六边形斑图中不同放电丝放电类型研究

为了研究带线六边形斑图中各个子结构的放电类型，利用高速录像机录制曝光时间为50 μs的斑图照片，如图6所示.从图6中可以看出中心点(C)的亮度高于带线六边形上的点(V)的亮度，带线六边形上2个点之间的线在帧图像中显示为随机放电丝，随机放电丝多次叠加出现了线.这些随机放电丝出现在V点的周围，且在2个V点之间的位置叠加重合，因此随机放电丝在2个V点之间的位置处积累的更多，故相比较于V点周围位置处的亮度，2个V点之间位置处的亮度更亮，如图6中上方圈所标识位置处亮度大于下方圈所标识位置处亮度.

图6 曝光时间为50 μs的照片Fig.6 Images of the pattern at 50 μs exposure time

2.4 带线六边形斑图的理论解释

随外加电压升高，外加电场增加，达到C点的击穿阈值，C点放电，积累壁电荷产生与外加电场反向的内建电场.C点在外加电压过零点开始首先放电，此时外加电压过低不足以使得中心点放电，所以此次中心点放电是由前半周期晕放电所积累的壁电荷产生的壁电荷场主导.中心点放电消耗壁电荷，产生与外加电场反向的电场.C点放电结束后该处积累的壁电荷产生的内建电场对周围位置的放电有禁阻作用，所以下一次放电发生在禁阻作用最弱的位置同时也是距离C点最远的位置，也就是3个中心点连线的中心所在位置，即带线六边形上的点V.电压继续升高达到V点的击穿阈值，V点放电，产生与外加电场反向的内建电场.V点的本质是随机放电丝在该处的积累，V点处在距离C点最远的位置禁阻作用最弱，所以会积累更多的放电丝形成点，但在其周围也会有其他随机放电丝的存在，只不过因为数量较少发光较弱，肉眼不可见，所以不能观察到它的存在.但在2个V点之间的位置，这2个V点周围存在的随机放电丝在此处叠加重合，经过多次叠加出现了线.由于V点和线的本质都是随机放电丝，所以二者的放电没有时间上的先后顺序.根据壁电荷理论V点放电完成后下一次放电应该发生在禁阻作用最弱的位置即距离V点最远的位置，也就是C点所在位置.然而C点在这半个电压周期已经放过1次电，不能再继续放电，所以下次放电发生在晕H所在位置.电压继续升高达到晕H击穿阈值，晕H放电积累壁电荷产生与外加电场方向相反的壁电荷场，此壁电荷场与下半个电压周期的外加电场同向促进放电，主导下半个电压周期C点的放电.在每半个电压周期内按照C-V+L-H的顺序重复放电过程，形成带线六边形斑图.

3 结论

本实验首次在DBD系统中发现了带线六边形斑图.利用高速照相机分脉冲拍摄研究该斑图的空间结构，得出其在每半个电压周期内按照C-V+L-H的放电顺序放电且所有放电都发生在电压上升沿，无下降沿放电.利用光电倍增管同时对V、L处进行测量，发现二者都在第2个电流脉冲放电且没有时间上的先后顺序.为进一步研究放电丝L的放电特性，利用高速录像机拍摄曝光时间为50 μs的发光斑图录像，发现L是由随机放电丝组成，多次叠加形成了线.至此可知本实验所研究的带线六边形斑图由3套子结构嵌套而成，在每半个电压周期内按照C-V+L-H的顺序放电且放电都在上升沿，线L是由随机放电丝组成.本实验对具有六边形框架结构发光斑图的放电规律及其时空结构有了新的认识，丰富了介质阻挡放电系统中发光斑图类型，推动了壁电荷理论的发展.