DBD介質(zhì)阻擋放電的演變過(guò)程淺析
文章導(dǎo)讀：通過(guò)在一個(gè)電流脈沖期間，對(duì)氣隙側(cè)面放電圖像的研究，可以對(duì)DBD介質(zhì)阻擋放電的演變過(guò)程有一了解。
通過(guò)在一個(gè)電流脈沖期間，對(duì)氣隙側(cè)面放電圖像的研究，可以對(duì)DBD介質(zhì)阻擋放電的演變過(guò)程有一了解。下圖所示為大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋均勻放電的一個(gè)電流脈沖期間連續(xù)拍攝的六幅曝光時(shí)間均為20ns的放電圖像。若以電流脈沖峰值時(shí)刻為時(shí)間參考點(diǎn)t=0，則圖a-f的拍攝時(shí)刻分別為-460ns、-260ns、-140ns、-60ns、0和80ns。
上圖反映出，在放電初期，靠近陽(yáng)極處有一個(gè)非常微弱的發(fā)光層，而伴隨著放電的進(jìn)行，該亮層逐漸擴(kuò)展到整個(gè)間隙，并且逐漸在靠近陰極的區(qū)域形成一個(gè)明亮的發(fā)光層。這種氣隙中放電光強(qiáng)分布的演變過(guò)程代表著放電模式的演化過(guò)程。當(dāng)對(duì)上圖中各放電圖像分別橫向求均值，得到氣隙中放電光強(qiáng)沿軸向的分布，如下圖所示，由此便可展開(kāi)對(duì)放電模式演變過(guò)程的分析。
1.放電從湯生放電開(kāi)始
放電前氣隙中電場(chǎng)可以近似為均勻電場(chǎng)。在放電起始階段，放電很弱致使空間電荷場(chǎng)可忽略不計(jì)，氣隙中電場(chǎng)仍保持均勻分布。氣體中電子的平均自由行程反比于氣體分子的數(shù)密度N，電子的平均動(dòng)能與約化電場(chǎng)E/N成正比。當(dāng)氣隙中氣體密度和電場(chǎng)都是均勻分布時(shí)，氣隙中各處電子的平均動(dòng)能是相同的，這也意味著氣隙中各處電子的碰撞激發(fā)能力相同。因此，氣隙中電子越多的地方發(fā)光越強(qiáng)，即放電光強(qiáng)分布I(x)正比于電子密度分布ne(x)。在均勻電場(chǎng)中的湯生放電，電子密度可以用如下公式來(lái)表示：
放電前氣隙中電場(chǎng)可以近似為均勻電場(chǎng)。在放電起始階段，放電很弱致使空間電荷場(chǎng)可忽略不計(jì)，氣隙中電場(chǎng)仍保持均勻分布。氣體中電子的平均自由行程反比于氣體分子的數(shù)密度N，電子的平均動(dòng)能與約化電場(chǎng)E/N成正比。當(dāng)氣隙中氣體密度和電場(chǎng)都是均勻分布時(shí)，氣隙中各處電子的平均動(dòng)能是相同的，這也意味著氣隙中各處電子的碰撞激發(fā)能力相同。因此，氣隙中電子越多的地方發(fā)光越強(qiáng)，即放電光強(qiáng)分布I(x)正比于電子密度分布ne(x)。在均勻電場(chǎng)中的湯生放電，電子密度可以用如下公式來(lái)表示：
其中，x是與陰極的距離；n0是從陰極出發(fā)的電子密度?？梢?jiàn)，隨著與陰極距離的增大，氣隙中放電發(fā)光強(qiáng)度將指數(shù)增大，并在靠近陽(yáng)極處達(dá)到zui強(qiáng)。這種湯生放電的光強(qiáng)分布正是我們?cè)趥?cè)面放電圖像中所看到的。
2.放電從湯生放電向輝光放電過(guò)渡
通過(guò)比較光強(qiáng)分布圖中曲線a和b右側(cè)光強(qiáng)峰值位置，即側(cè)面放電圖像中a和b的陽(yáng)極區(qū)亮層位置，我們發(fā)現(xiàn)該亮層以2.2mm/μs的速度向陰極方向移動(dòng)，它用200ns時(shí)間移動(dòng)了大約0.44mm。隨著亮層逐漸向陰極移動(dòng)，發(fā)光區(qū)域不斷擴(kuò)展，并逐漸充滿了整個(gè)氣隙中央?yún)^(qū)域，見(jiàn)光強(qiáng)分布圖中的曲線c。隨著放電的進(jìn)行，正離子團(tuán)更接近陰極，zui終在它和陰極之間形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，即所謂的陰極位降區(qū)。
2.放電從湯生放電向輝光放電過(guò)渡
通過(guò)比較光強(qiáng)分布圖中曲線a和b右側(cè)光強(qiáng)峰值位置，即側(cè)面放電圖像中a和b的陽(yáng)極區(qū)亮層位置，我們發(fā)現(xiàn)該亮層以2.2mm/μs的速度向陰極方向移動(dòng)，它用200ns時(shí)間移動(dòng)了大約0.44mm。隨著亮層逐漸向陰極移動(dòng)，發(fā)光區(qū)域不斷擴(kuò)展，并逐漸充滿了整個(gè)氣隙中央?yún)^(qū)域，見(jiàn)光強(qiáng)分布圖中的曲線c。隨著放電的進(jìn)行，正離子團(tuán)更接近陰極，zui終在它和陰極之間形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，即所謂的陰極位降區(qū)。
如光強(qiáng)分布圖中的曲線d所示，我們?cè)诳拷帢O處看到了一個(gè)明亮的發(fā)光層。如果仔細(xì)觀察放電圖像，尤其是光強(qiáng)分布圖中的曲線f，我們可以看到氣隙中光強(qiáng)從上到下呈現(xiàn)明暗相間的分層結(jié)構(gòu)：zui上面是靠近陽(yáng)極的暗層，然后是相對(duì)亮層，接著又是一個(gè)暗層，zui下面是靠近陰極的明亮層。這種明暗相間的分層光強(qiáng)分布是輝光放電的典型特征，這些層分別是陽(yáng)極暗區(qū)、等離子體正柱區(qū)、法拉第暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)。因此，這表明放電已經(jīng)從湯生放電過(guò)渡到了輝光放電階段。
3.放電停止在亞正常輝光放電
側(cè)面放電圖的d~f圖像中在靠近陰極處都存在一個(gè)明亮的發(fā)光層——負(fù)輝光區(qū)，它們對(duì)應(yīng)光強(qiáng)分布圖中曲線d~f左側(cè)的尖峰，我們將此尖峰稱為負(fù)輝光峰。負(fù)輝光峰的位置減小到0.4mm后就幾乎不再減小了，這意味著陰極位降區(qū)長(zhǎng)度dc大約為0.4mm，遠(yuǎn)大于正常輝光放電對(duì)應(yīng)的陰極位降區(qū)長(zhǎng)度。
因此，放電并沒(méi)有充分發(fā)展到正常輝光放電，而是停止在亞正常輝光放電。其原因在于：在DBD中，放電電流對(duì)阻擋介質(zhì)充電，使得介質(zhì)上電壓迅速升高，氣隙電壓隨之迅速下降直至不足以維持放電，放電熄滅。阻擋介質(zhì)的存在，使得放電僅發(fā)展到亞正常輝光放電階段就熄滅了。
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側(cè)面放電圖的d~f圖像中在靠近陰極處都存在一個(gè)明亮的發(fā)光層——負(fù)輝光區(qū)，它們對(duì)應(yīng)光強(qiáng)分布圖中曲線d~f左側(cè)的尖峰，我們將此尖峰稱為負(fù)輝光峰。負(fù)輝光峰的位置減小到0.4mm后就幾乎不再減小了，這意味著陰極位降區(qū)長(zhǎng)度dc大約為0.4mm，遠(yuǎn)大于正常輝光放電對(duì)應(yīng)的陰極位降區(qū)長(zhǎng)度。
因此，放電并沒(méi)有充分發(fā)展到正常輝光放電，而是停止在亞正常輝光放電。其原因在于：在DBD中，放電電流對(duì)阻擋介質(zhì)充電，使得介質(zhì)上電壓迅速升高，氣隙電壓隨之迅速下降直至不足以維持放電，放電熄滅。阻擋介質(zhì)的存在，使得放電僅發(fā)展到亞正常輝光放電階段就熄滅了。
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