牛雪姣，董麗芳，劉 瑩，王 謙，馮建宇

河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002

介質(zhì)阻擋放電中超四邊斑圖沿面放電的光譜研究

牛雪姣，董麗芳*，劉 瑩，王 謙，馮建宇

河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002

利用水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，在氬氣和空氣的混合氣體中，首次觀察到了超四邊斑圖沿面放電，它是由中心點(diǎn)和暗點(diǎn)組成的。通過觀察普通相機(jī)的斑圖照片，可以發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)位于周圍四個(gè)暗點(diǎn)的中心處。利用高速錄像機(jī)對(duì)斑圖進(jìn)行短曝光拍攝，觀察發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)體放電，暗點(diǎn)對(duì)應(yīng)沿面放電，暗點(diǎn)由這些沿面放電形成。中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的亮度有所不同，這說明中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的等離子體狀態(tài)可能不同。采用發(fā)射光譜法，研究了超四邊斑圖沿面放電的的中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的等離子體參量隨氬氣含量的變化趨勢。利用氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)發(fā)射譜線，計(jì)算得出了中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度； 然后通過氬原子696.57nm(2P2→1S5)譜線的展寬，研究了中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的電子密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 在相同氬氣含量下，暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度和電子密度均高于中心點(diǎn)的相應(yīng)等離子體參量； 在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，隨著氬氣含量從90%增大到99.9%，中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度和電子密度均逐漸增大。結(jié)果表明中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的等離子狀態(tài)不同，說明二者的放電機(jī)制可能不同。

介質(zhì)阻擋放電； 沿面放電； 分子振動(dòng)溫度； 電子密度

引 言

介質(zhì)阻擋放電(無聲放電)，是一種低溫等離子體氣體放電。它的主要部分是兩個(gè)平行放置的水電極。通過在水電極兩端加上交流電壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電壓可以達(dá)到氣體放電的擊穿閾值時(shí)，這樣兩極板間的氣體被擊穿后形成放電等離子體。介質(zhì)阻擋放電可以在大氣壓或者近大氣壓條件下進(jìn)行，并且裝置簡單、成本低及操作便捷等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域中[1-5]。介質(zhì)阻擋放電是一個(gè)非線性系統(tǒng)，可以自組織的形成多種多樣的斑圖，比如： 四邊形，六邊形，白眼，蜂窩等[6-8]。介質(zhì)阻擋放電的放電形式可分為兩類： 體放電(VD)和沿面放電(SD)。對(duì)于這兩種放電的研究已有很多被報(bào)道，但對(duì)它們的放電性能的研究較少[9-11]。最近研究發(fā)現(xiàn)了一種特殊形狀的斑圖，它由中心點(diǎn)和暗點(diǎn)構(gòu)成，并且每個(gè)中心點(diǎn)位于周圍四個(gè)暗點(diǎn)的中心，在以往的介質(zhì)阻擋放電研究中沒有報(bào)道過。為了進(jìn)一步的了解它的放電特性，采用了發(fā)射光譜法，對(duì)中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的等離子體參量隨氬氣含量的變化進(jìn)行了研究。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，體放電和沿面放電屬于不同的放電機(jī)制，這對(duì)于研究暗點(diǎn)的形成機(jī)制有重要的價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

裝置如圖1所示，主要由水電極、高壓電源、光譜儀、數(shù)字示波器組成。水電極由兩個(gè)端面對(duì)稱且裝滿水的圓柱形玻璃管組成，兩側(cè)用石英玻璃封住。在容器兩端將金屬環(huán)浸入水中，各從一端引出頻率為54kHz的高壓交流電源兩極相連。將水電極平行放置在充滿氬氣和空氣混合物的真空密閉室里，中間放一塊邊長L為4 cm, 厚度d為4.1 mm的四邊形邊界。用數(shù)碼相機(jī)(Canon Powershot G16)記錄放電照片。利用高壓探頭(Tektronix P6015A)測量外加電壓，并通過數(shù)字示波器(Tektronix DPO4104B)采集和存儲(chǔ)。通過透鏡放大成像，利用光纖探頭將中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的光分別導(dǎo)入到光譜儀(ACTON SP-2758, CCD:1340×400Pixels, 光柵300, 800, 2 400 G·mm-1, 分辨率0.005 nm)，控制計(jì)算機(jī)采集和存儲(chǔ)光譜。用高速錄像機(jī)(pco. dimax 9000000207)拍攝短曝光時(shí)間斑圖照片。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 結(jié)果與討論

在氬氣和空氣混合的氣體介質(zhì)阻擋放電中，觀察到斑圖不同位置出現(xiàn)兩種亮暗不同的狀態(tài)，如圖2所示。由普通相機(jī)拍攝的圖2(a)可知，斑圖有兩部分組成： 中心點(diǎn)和它周圍的四個(gè)暗點(diǎn)。但是它們的亮度不同，表現(xiàn)為： 中心點(diǎn)(A)最亮，暗點(diǎn)(B)最弱。由之前研究的斑圖可知，暗點(diǎn)一般是由放電絲組成的。為了進(jìn)一步研究本斑圖中暗點(diǎn)的組成，故利用高速錄像機(jī)對(duì)斑圖進(jìn)行短曝光拍攝，如圖2(b)所示。觀察發(fā)現(xiàn)，放電由兩部分組成： 體放電(VD)和沿面放電(SD)。中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)體放電，暗點(diǎn)對(duì)應(yīng)沿面放電，暗點(diǎn)是由中心點(diǎn)周圍的沿面放電形成。根據(jù)存在亮暗的差異，初步推斷它們可能處于不同的等離子狀態(tài)，即它們的等離子體參數(shù)是不同的。因此，采用發(fā)射光譜法，對(duì)其等離子體參量進(jìn)行測量，以便進(jìn)一步研究其放電機(jī)制。

Fig.2 (a) the image of square super-lattice pattern with central spot and dim spot. A represents the central spots and B represents the dim spots. Image taken by an ordinary camera with exposure time t=25 ms. (b) Image of the pattern with 20 μs exposure time taken by high speed video camera. Experimental parameters: gas pressurep=30.6 kPa, air concentrationφ=97%, driven frequencyf=54 kHz, gas gapd=4.1 mm

為了得到氮分子振動(dòng)溫度，選擇300 G·mm-1的光柵，采集了氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)波長范圍在360～420nm之間的發(fā)射譜線，如圖3所示。從圖中可得，中心點(diǎn)的強(qiáng)度高于暗點(diǎn)的。采用第二正帶系的兩組振動(dòng)序帶： (0-2，1-3，2-4)和(0-3，1-4，2-5)[11]，計(jì)算得出了超四邊斑圖的中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度，如圖4所示。當(dāng)氬氣含量相同時(shí)，暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度要高于中心點(diǎn)的。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，隨著氬氣含量由90%增大至99.9%，中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度都隨著氬氣含量的增加而增大。中心點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度范圍是2 200～2 700K，暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度范圍是2 300～3 000K。

Fig.3 Emission spectra in the range of 360～420 nm

Fig.4 Variation of molecular vibration temperature of two kinds of spots as a function of argon concentration

表征等離子體狀態(tài)的另一個(gè)重要的參量是電子密度。選用2 400 G·nm-1的光柵，在693～700 nm范圍內(nèi)采集了中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的譜線，如圖5所示。由圖可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，暗點(diǎn)的譜線展寬高于中心點(diǎn)的。通過改變氬氣含量，研究了中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的譜線線寬隨氬氣含量的變化，其結(jié)果圖6所示。譜線的展寬可反映電子密度大小[12]，譜線展寬越大，表明其電子密度越大。所以由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同含量的條件下，暗點(diǎn)的電子密度高于中心點(diǎn)，隨著氬氣從90%增大至99.9%，中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的電子密度隨著氬氣含量的增加而增大。

Fig.6 Variation of broadenings of spectral line 696.5 nm of two kinds of spots as a function of argon concentration

3 結(jié) 論

采用水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，在空氣和氬氣的混合氣體中，觀察到了超四邊斑圖的沿面放電，它是由中心點(diǎn)和位于其周圍四個(gè)暗點(diǎn)組成，并且中心點(diǎn)位于四個(gè)暗點(diǎn)的中心。利用高速錄像機(jī)對(duì)斑圖進(jìn)行短曝光拍攝，發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)存在沿面放電，暗點(diǎn)是由中心點(diǎn)的沿面放電形成。采用發(fā)射光譜法，研究了中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的等離子體參量隨氬氣的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)氬氣含量相同時(shí)，暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度和電子密度均高于中心點(diǎn)相應(yīng)的等離子體參量； 隨著氬氣含量從90%增大到99.9%，中心點(diǎn)和暗點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度和電子密度均是逐漸增大的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)更加深入研究體放電和沿面放電之間的關(guān)系具有重要意義。

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*Corresponding author

Study on Square Super-Lattice Pattern with Surface Discharge in Dielectric Barrier Discharge by Optical Emission Spectra

NIU Xue-jiao, DONG Li-fang*, LIU Ying, WANG Qian，F(xiàn)ENG Jian-yu

College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China

Square super-lattice pattern with surface discharge consisting of central spots and dim spots is firstly observed in the mixture of argon and air by using a dielectric barrier discharge device with water electrodes. By observing the image, it is found that the central spot is located at the centriod of its surrounding four dim spots. The short-exposure image recorded by a high speed video camera shows that the dim spot results from the surface discharges (SDs). The brightness of the central spot and is quite different from that of the dim spot, which indicates that the plasma states of the central spot and the dim spot may be differentiated. The optical emission spectrum method is used to further study the several plasma parameters of the central spot and the dim spot in different argon content. The emission spectra of the N2second positive band (C3Πu→B3Πg)aremeasured,fromwhichthemoleculevibrationtemperaturesofthecentralspotandthedimspotarecalculatedrespectively.Thebroadeningofspectralline696.57nm(2P2→1S5) is used to study the electron densities of the central spot and the dim spot. It is found that the molecule vibration temperature and electron density of the dim spot are higher than those of the central spot in the same argon content. The molecule vibration temperature and electron density of the central spot and the dim spot increase with the argon content increasing from 90% to 99.9%. The surface discharge induced by the volume discharge (VD) has the determinative effect on the formation of the dim spot. The experimental results above play an important role in studying the formation mechanism of surface discharge of square super-lattice pattern with surface discharge. In addition, the studies exert an influence on the application of surface discharge and volume discharge in different fields.

Dielectric barrier discharge; Molecule vibration temperature; Electron density; Surface discharge

Jan. 30, 2015; accepted May 6, 2015)

2015-01-30，

2015-05-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11375051), 河北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(11967135D)和河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2010140)資助

牛雪姣, 女, 1988年生, 河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生 e-mail: nxj1228@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: donglfhbu@163.com

O461.2； O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0368-04