王玥，潘宇揚(yáng)，李耀華，李彩霞，趙薇，付少鐸

(1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002 ；2.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院， 河北 保定 071002；3.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

斑圖是一種廣泛存在于自然界與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的典型非線性自組織現(xiàn)象，其系統(tǒng)內(nèi)微觀參量相互作用從而導(dǎo)致宏觀參量有序排布.研究者們?cè)谧匀唤鏪1-4]、法拉第系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)、介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)[5-9]等系統(tǒng)中都觀察到了斑圖的存在，其中介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)因其操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)生的自組織斑圖種類豐富且斑圖發(fā)光便于測(cè)量得到了廣泛關(guān)注.介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge，DBD)系統(tǒng)是一種非平衡態(tài)氣體放電系統(tǒng)[10-13]，其至少有1個(gè)電極被電介質(zhì)所覆蓋.介質(zhì)阻擋放電因其裝置簡(jiǎn)單易于操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[14-15].近年來DBD被廣泛應(yīng)用于斑圖領(lǐng)域研究，德國(guó)Purwins小組、美國(guó)Breazeal小組和Walhout小組、法國(guó)Boeuf小組、大連理工王德真小組、北京理工歐陽(yáng)吉庭小組等都在對(duì)DBD系統(tǒng)中發(fā)光斑圖的研究中取得了一些研究成果[16-23].

本實(shí)驗(yàn)小組首次采用雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置對(duì)DBD系統(tǒng)中發(fā)光斑圖進(jìn)行研究，得到了豐富多樣的斑圖，如四邊形斑圖、六邊形斑圖、蜂窩斑圖、條紋斑圖、白眼超六斑圖、疏密點(diǎn)同心圓環(huán)斑圖、亮暗點(diǎn)超六斑圖等[16-23].文獻(xiàn)[24]在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由中心點(diǎn)、圍繞中心點(diǎn)環(huán)、環(huán)外6個(gè)點(diǎn)組成的單晶胞白眼斑圖；文獻(xiàn)[25]在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由中心點(diǎn)、小點(diǎn)、線、暈組成的點(diǎn)線白眼超六邊形斑圖，其中點(diǎn)、線分屬2套不同的結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[26]在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由小點(diǎn)、線、暈、中心點(diǎn)組成的點(diǎn)線白眼超點(diǎn)陣六邊形斑圖，其中線是由小點(diǎn)誘導(dǎo)產(chǎn)生的SDs.在本實(shí)驗(yàn)室之前發(fā)現(xiàn)的由點(diǎn)、線組成六邊形中，當(dāng)線與小點(diǎn)不同屬一套結(jié)構(gòu)時(shí)，線由隨機(jī)放電絲組成；當(dāng)線與小點(diǎn)同屬一套結(jié)構(gòu)時(shí)，線由小點(diǎn)的沿面放電組成.

本實(shí)驗(yàn)首次在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了放電全部發(fā)生在上升沿，線是由隨機(jī)放電絲組成且和小點(diǎn)同屬一套結(jié)構(gòu)的帶線六邊形斑圖.利用高速照相機(jī)和光電倍增管對(duì)斑圖的時(shí)空結(jié)構(gòu)和時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)其時(shí)空動(dòng)力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)該斑圖由帶線六邊形內(nèi)的中心點(diǎn)、帶線六邊形上的點(diǎn)及2個(gè)點(diǎn)之間的線和帶線六邊形內(nèi)暈3套子結(jié)構(gòu)組成且放電全部發(fā)生在上升沿.利用高速錄像機(jī)對(duì)斑圖的放電類型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2個(gè)帶線六邊形上的點(diǎn)之間的線是由隨機(jī)放電絲組成.該結(jié)果對(duì)具有六邊形框架結(jié)構(gòu)的斑圖有了新的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了壁電荷理論的發(fā)展.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup diagram

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由正弦交流等離子體發(fā)生器、示波器、2個(gè)水電極、ICCD相機(jī)和高速錄像機(jī)組成.水電極是由2個(gè)玻璃板密封住一個(gè)充滿水的圓柱構(gòu)成，在其中的一側(cè)浸入一個(gè)銅環(huán)并與交流電源連接.將水電極平行放置在可視的真空室內(nèi)，真空室?guī)в袣鍤夂涂諝膺M(jìn)氣口并且與真空泵相連接，通過調(diào)節(jié)充入的氣體及腔內(nèi)氣壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)斑圖的調(diào)控.本實(shí)驗(yàn)在2個(gè)水電極之間放入了一個(gè)邊長(zhǎng)為3.375 cm、厚度為3 mm的正方形邊界玻璃片作為放電介質(zhì).密閉容器內(nèi)氬氣含量為72.5%，壓強(qiáng)為35 kPa.改變外加電壓得到了圖2所示的斑圖演化序列.實(shí)驗(yàn)過程中，外加電壓通過高壓探頭(TeKtronix P6015A 1000X)來檢測(cè)，利用數(shù)字示波器(TeKtronix TDS4104B)顯示和保存電流電壓信息；利用光電倍增管(PMT)接收光信號(hào)，接收的光信息由數(shù)字示波器存儲(chǔ)；利用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 6D and Canon Macro 100 mm)、高速錄像機(jī)(HFVC; pco. dimax S4)、電感耦合增強(qiáng)設(shè)備(HSFC; pco. Pro 12 Bit)等儀器拍攝斑圖的照片.

2 結(jié)果與討論

2.1 帶線六邊形斑圖的演化序列

圖2是隨著外加電壓升高帶線六邊形斑圖的演化序列.當(dāng)電壓為1.93 kV時(shí)，出現(xiàn)隨機(jī)放電絲如圖2a所示；升高電壓至3.94 kV時(shí)出現(xiàn)六邊形斑圖如圖2b所示；繼續(xù)升高電壓至5.70 kV時(shí)，出現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)所研究的帶線六邊形斑圖如圖2c所示，C表示帶線六邊形內(nèi)的中心點(diǎn)，V表示帶線六邊形上的點(diǎn)，L表示2個(gè)帶線六邊形上的點(diǎn)之間的線，H表示帶線六邊形內(nèi)暈；當(dāng)電壓升至7.00 kV時(shí)，斑圖演化至混沌態(tài)如圖2d.

a.U=1.93 kV;b.U=3.94 kV;c.U=5.70 kV;d.U=7.00 kV.圖2 隨外加電壓升高斑圖的演化序列Fig.2 Evolution of patterns with increasing voltage

2.2 帶線六邊形斑圖的時(shí)間相關(guān)性測(cè)量

利用多通道高速照相機(jī)對(duì)斑圖進(jìn)行分脈沖拍攝來研究斑圖的時(shí)空分布，由電壓電流波形圖可知本實(shí)驗(yàn)所得到的斑圖在半個(gè)電壓周期內(nèi)共有3個(gè)電流脈沖，如圖3所示.利用高速照相機(jī)的3個(gè)通道對(duì)斑圖進(jìn)行分脈沖多次疊加拍攝，3個(gè)電流脈沖的曝光時(shí)間分別是Δt1= 790 ns,Δt2= 1 150 ns,Δt3= 1 430 ns；疊加次數(shù)為50個(gè)周期，染色后如圖4a-c.圖4d為圖4a-c的疊加.由圖4a-c可知中心點(diǎn)C在半個(gè)電壓周期內(nèi)電壓上升沿Δt1所對(duì)應(yīng)的電流脈沖放電，帶線六邊形上的點(diǎn)V和2個(gè)V點(diǎn)之間的線L在半個(gè)電壓周期內(nèi)電壓上升沿的Δt2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電流脈沖放電，帶線六邊形內(nèi)暈H在半個(gè)電壓周期內(nèi)電壓上升沿的Δt3時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電流脈沖放電.由此可知該斑圖的放電順序?yàn)镃-V+L-H，且在每半個(gè)電壓周期內(nèi)都遵循此規(guī)律.所有放電都發(fā)生在電壓上升沿且在無下降沿放電，這與之前所得到的具有六邊形結(jié)構(gòu)的斑圖的放電規(guī)律有所不同.

為了進(jìn)一步對(duì)帶線六邊形斑圖的放電特性進(jìn)行研究，利用2個(gè)光電倍增管同時(shí)對(duì)V、L進(jìn)行測(cè)量.結(jié)果如圖5所示，V、L在每半個(gè)電壓周期放1次電，且都在第2個(gè)電流脈沖(Δt2時(shí)刻)放電.對(duì)電流脈沖及光信號(hào)圖像進(jìn)行放大處理發(fā)現(xiàn)V、L的放電時(shí)間較為接近但放電順序沒有規(guī)律.通過光電倍增管的測(cè)量結(jié)果可知不能將V、L完全分開，這也與之前通過高速照相機(jī)所得到的結(jié)果圖4b相符合.

圖3 電流電壓波形Fig.3 Waveforms of the voltage and the current

a.中心點(diǎn); b.六邊形上的點(diǎn)及線; c.暈; d.圖a、b、c的染色疊加.圖4 高速照相機(jī)拍攝的照片及其疊加Fig.4 Photos of high-speed camera and the superposition of the three pictures

a.V在L之前放電; b.V在L之后放電.圖5 V與L光信號(hào)相關(guān)性測(cè)量Fig.5 Temporal correlation measurement between V and L

2.3 帶線六邊形斑圖中不同放電絲放電類型研究

為了研究帶線六邊形斑圖中各個(gè)子結(jié)構(gòu)的放電類型，利用高速錄像機(jī)錄制曝光時(shí)間為50 μs的斑圖照片，如圖6所示.從圖6中可以看出中心點(diǎn)(C)的亮度高于帶線六邊形上的點(diǎn)(V)的亮度，帶線六邊形上2個(gè)點(diǎn)之間的線在幀圖像中顯示為隨機(jī)放電絲，隨機(jī)放電絲多次疊加出現(xiàn)了線.這些隨機(jī)放電絲出現(xiàn)在V點(diǎn)的周圍，且在2個(gè)V點(diǎn)之間的位置疊加重合，因此隨機(jī)放電絲在2個(gè)V點(diǎn)之間的位置處積累的更多，故相比較于V點(diǎn)周圍位置處的亮度，2個(gè)V點(diǎn)之間位置處的亮度更亮，如圖6中上方圈所標(biāo)識(shí)位置處亮度大于下方圈所標(biāo)識(shí)位置處亮度.

圖6 曝光時(shí)間為50 μs的照片F(xiàn)ig.6 Images of the pattern at 50 μs exposure time

2.4 帶線六邊形斑圖的理論解釋

隨外加電壓升高，外加電場(chǎng)增加，達(dá)到C點(diǎn)的擊穿閾值，C點(diǎn)放電，積累壁電荷產(chǎn)生與外加電場(chǎng)反向的內(nèi)建電場(chǎng).C點(diǎn)在外加電壓過零點(diǎn)開始首先放電，此時(shí)外加電壓過低不足以使得中心點(diǎn)放電，所以此次中心點(diǎn)放電是由前半周期暈放電所積累的壁電荷產(chǎn)生的壁電荷場(chǎng)主導(dǎo).中心點(diǎn)放電消耗壁電荷，產(chǎn)生與外加電場(chǎng)反向的電場(chǎng).C點(diǎn)放電結(jié)束后該處積累的壁電荷產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)周圍位置的放電有禁阻作用，所以下一次放電發(fā)生在禁阻作用最弱的位置同時(shí)也是距離C點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置，也就是3個(gè)中心點(diǎn)連線的中心所在位置，即帶線六邊形上的點(diǎn)V.電壓繼續(xù)升高達(dá)到V點(diǎn)的擊穿閾值，V點(diǎn)放電，產(chǎn)生與外加電場(chǎng)反向的內(nèi)建電場(chǎng).V點(diǎn)的本質(zhì)是隨機(jī)放電絲在該處的積累，V點(diǎn)處在距離C點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置禁阻作用最弱，所以會(huì)積累更多的放電絲形成點(diǎn)，但在其周圍也會(huì)有其他隨機(jī)放電絲的存在，只不過因?yàn)閿?shù)量較少發(fā)光較弱，肉眼不可見，所以不能觀察到它的存在.但在2個(gè)V點(diǎn)之間的位置，這2個(gè)V點(diǎn)周圍存在的隨機(jī)放電絲在此處疊加重合，經(jīng)過多次疊加出現(xiàn)了線.由于V點(diǎn)和線的本質(zhì)都是隨機(jī)放電絲，所以二者的放電沒有時(shí)間上的先后順序.根據(jù)壁電荷理論V點(diǎn)放電完成后下一次放電應(yīng)該發(fā)生在禁阻作用最弱的位置即距離V點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置，也就是C點(diǎn)所在位置.然而C點(diǎn)在這半個(gè)電壓周期已經(jīng)放過1次電，不能再繼續(xù)放電，所以下次放電發(fā)生在暈H所在位置.電壓繼續(xù)升高達(dá)到暈H擊穿閾值，暈H放電積累壁電荷產(chǎn)生與外加電場(chǎng)方向相反的壁電荷場(chǎng)，此壁電荷場(chǎng)與下半個(gè)電壓周期的外加電場(chǎng)同向促進(jìn)放電，主導(dǎo)下半個(gè)電壓周期C點(diǎn)的放電.在每半個(gè)電壓周期內(nèi)按照C-V+L-H的順序重復(fù)放電過程，形成帶線六邊形斑圖.

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)首次在DBD系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了帶線六邊形斑圖.利用高速照相機(jī)分脈沖拍攝研究該斑圖的空間結(jié)構(gòu)，得出其在每半個(gè)電壓周期內(nèi)按照C-V+L-H的放電順序放電且所有放電都發(fā)生在電壓上升沿，無下降沿放電.利用光電倍增管同時(shí)對(duì)V、L處進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)二者都在第2個(gè)電流脈沖放電且沒有時(shí)間上的先后順序.為進(jìn)一步研究放電絲L的放電特性，利用高速錄像機(jī)拍攝曝光時(shí)間為50 μs的發(fā)光斑圖錄像，發(fā)現(xiàn)L是由隨機(jī)放電絲組成，多次疊加形成了線.至此可知本實(shí)驗(yàn)所研究的帶線六邊形斑圖由3套子結(jié)構(gòu)嵌套而成，在每半個(gè)電壓周期內(nèi)按照C-V+L-H的順序放電且放電都在上升沿，線L是由隨機(jī)放電絲組成.本實(shí)驗(yàn)對(duì)具有六邊形框架結(jié)構(gòu)發(fā)光斑圖的放電規(guī)律及其時(shí)空結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)，豐富了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中發(fā)光斑圖類型，推動(dòng)了壁電荷理論的發(fā)展.