表面性质对介质阻挡放电的影响

TransactionsofBeijingInstituteofTechnologyVol.29󰀂No.12Dec.2009

表面性质对介质阻挡放电的影响

段晓溪,󰀂欧阳吉庭

(北京理工大学理学院,北京󰀂100081)

摘󰀂要:为了分析介质阻挡放电(DBD)中表面性质改变对气体放电的影响,实验研究了大气压介质阻挡放电介质表面覆盖或不覆盖金属膜时的放电特性,观测了放电丝时空演化行为.结果表明,未覆盖金属膜的DBD是典型的丝状放电,而覆盖金属膜后DBD放电丝数目锐减而且随时间缓慢游动.金属膜使介质表面等电位化,电荷表面自由移动使得放电空间只存在少数的放电丝;空间电场梯度减小以及局域热作用导致的自禁止效应使得放电丝在空间中连续随机运动.

关键词:介质阻挡放电;表面性质;表面电荷;自禁止效应

中图分类号:O461󰀂󰀂󰀂文献标识码:A󰀂󰀂󰀂文章编号:1001󰀁0645(2009)12󰀁1114󰀁04

InfluenceofSurfacePropertiesontheDielectricBarrierDischarge

DUANXiao󰀁xi,󰀂OUYANGJi󰀁ting

(SchoolofScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:Analyzestheinfluencestogasdischargeaccordingtochangesinthesurfacepropertyindielectricbarrierdischarge(DBD).ThedischargecharacteristicsofDBDinatmosphereisinvestigatedexperimentallywhetherthedielectricsurfaceiscoveredwithametallicfilm.Thespatio󰀁temporalbehaviorofthedischargefilamentwasrecorded.TheresultsshowedthattheDBDchangesfromatypicalfilamentarymodetoadischargewithveryfewnumberoffilamentwhichmovesslowlyinthegapwithtime.Themetallicfilmmakesthedielectricanequipotentialsurfaceanditispossibleforsurfacechargetomovesothatjustafewdischargefilamentsexistinthedischargearea.Thereducedspatialelectricfieldgradsandtheself󰀁avoidingeffectresultingfromthelocalizedheatingmakethedischargefilamentsmovecontinuouslyandrandomly.Keywords:dielectricbarrierdischarge;surfaceproperty;surfacecharge;self󰀁avoidingeffect󰀂󰀂介质阻挡放电(DBD)是一种典型的非平衡态气体放电过程.它通常由两个平行板电极组成,其中至少一个电极上覆盖有电介质.研究表明,DBD可以处于辉光模式或无规丝状放电模式;适当条件下,两种模式下的放电通道都可以形成自组织斑图[1󰀁4].DBD中绝缘介质上表面电荷的积累是其主要特点,表面电荷空间分布状态是导致放电通道的空间不均匀分布或者自组织现象出现的主要原因,介质的表面状态将决定表面电荷的积累状况,对放电产生很大影响

[5󰀁6]

本工作通过在绝缘介质上覆盖金属膜来改变绝缘介质的表面状态及其表面电荷分布,研究大气压放电中表面性质对介质阻挡放电现象的影响.

1󰀂实验装置

本文中采用的实验装置是典型的DBD结构,如图1所示.介质为玻璃,厚度为1mm,下电极为圆形的铜板,直径为4cm,放电间隙为3mm.为便于观察放电图像,上电极采用了透明水电极.下电极介质上表面可以覆盖一层金属膜,与电极大小相同.水电

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收稿日期:2009󰀁04󰀁28

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10875010)

作者简介:段晓溪(1985󰀁),男,博士生,E󰀁mail:dxx00799999@bit.edu.cn;欧阳吉庭(1966󰀁),男,教授,博士生导师.

第12期段晓溪等:表面性质对介质阻挡放电的影响

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极与高频高压正弦波电源相连,驱动电压的峰峰值范围Vpp=0~30kV,频率f=58kHz,下电极通过200󰀁的检流电阻接地.电流、电压波形由示波器(泰克TDS2012)记录,CCD相机(佳能A640)从水电极一侧记录放电发光图像.

图1󰀂实验装置示意图

Fig.1󰀂Sketchofexperimentalsetup

2󰀂结果与分析

图2是在大气压条件下得到的无金属膜时介质阻挡放电图像.可以看出,放电空间存在大量的微放电通道,这些微通道分布无规则并呈现稳定状态,为典型的大气压介质阻挡放电图像.相应的放电电流包含许多无规则的放电脉冲.在外加电压的每半个周期,所有微放电通道都会经历一个击穿󰀁熄灭的过程.改变电极电压和功率,在合适条件下,微放电通道还可以自组织,形成规则、稳定的斑图结构.由于微放电通道之间的相互耦合作用,放电通道的建立过程可以呈现出较好的时间相关性.

在未覆盖金属膜的DBD模式下,介质表面电荷对放电有特征性的影响. 产生的表面电荷电场禁止了电流的无限发展,使电流脉冲化;!能使放电丝的空间位置保持稳定;∀表面电荷在不同放电通道的积累量不同,导致了放电通道间无规则的时序结构.

如果将下电极内侧介质表面覆盖金属膜,放电现象将发生明显的变化,如图3所示.其中单放电丝和双放电丝模式的放电图像是在电压峰峰值分别为15󰀂6,16󰀂0kV时在不同曝光时间下拍摄到的.

可以看出,在单侧介质覆盖金属膜以后,放电现象和典型的大气压DBD放电有着明显的区别.首先,放电丝的数目锐减,只有单根或有限的几根,而不是散布于整个放电空间的大量放电丝,但它们的形状与前面大量微放电通道情形下的单根放电丝的形状相同,在图像上看到的是一个点,直径约为1mm;其次,放电丝随时间缓慢移动,在较长的曝光时间内呈现无规则的连续路径,并且在路径上可出现交叉,即同一位置可在不同的放电周期重复放电.粗略计算表明,放电丝的运动速度约为0󰀂8m/s.对于不同的放电丝,从图像上来看运动状态基本相同.

放电丝的数目随着外加电压的增高略有增多,但数目有限,在实验可控的电压范围内,只能出现不超过10根放电丝,远小于无金属膜覆盖时放电空间的放电丝数目.与此相应,在新的放电丝出现的同时,放电电流上也出现新的放电脉冲,如图4所示.电流波形上的脉冲反映了该条件下的放电过程:半

[1󰀁2]

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北京理工大学学报第29卷

周期内的电流脉冲的数目对应于放电丝的条数;放电脉冲之间的时间间隔表明不同的放电丝对应于正弦电压波形上的不同位置,反应出两根放电丝处的表面电荷积累量的不同导致击穿时的外加电压的不同.

场分布.如果某个地方出现击穿放电,面电荷就会集中在该通道附近,其它地方难以再发生放电;理想情况下,DBD只有这一个放电丝.但较高电压下,由于没有覆盖金属膜的一边介质上可能出现局域电荷而引起当地电场增大,从而也形成击穿通道.因此,DBD中也可以出现多丝模式,但数目比正常DBD要少得多.覆盖金属膜后DBD只能形成较少的放电通道.

一般来说,DBD条件下的放电丝的产生和稳定过程都可以通过表面电荷的特性解释,并且得到模拟结果的证明.已有的数值模拟结果表明,DBD放电在经历数个或至多数十个放电周期以后即可达到稳定的状态,即放电空间的放电通道位置稳定并且每个周期内的放电特性不发生变化.但对于实验中所观测到的放电丝的运动行为,以单放电丝情形为例,可以看出,在1/1000s的曝光时间内,即对应于约116次击穿过程,放电丝基本没有移动,而要获得如图3(a)中1/5s曝光时间内的运动轨迹图,则需要经历超过2万次击穿过程,如此长时间内放电过程的数值模拟,对于目前较为常用的DBD模型来说基本上是不可能的.为了说明介质表面有金属膜覆盖时放电丝的运动行为,作者给出如下的定性分析.

图4󰀂单边金属膜覆盖介质阻挡放电的电压󰀁电流波形Fig.4󰀂Voltageandcurrentwaveformofthesingle

metallicfilmcoveredDBD

对于无金属膜覆盖的介质表面,表面电荷在放电丝产生的位置积累,其中正电荷在放电位置附近较为集中,沿介质表面梯度较大,而电子在放电丝附近分布较为均匀,空间梯度较小;有金属膜覆盖介质表面时,由于金属膜使得介质表面等电位化,表面电荷均匀分布.当一侧介质表面覆盖有金属膜时,每次放电结束,DBD两侧介质上的电荷积累和无金属膜覆盖时有着明显的区别,如图5所示.图中+(或-)表示外电压的极性,介质内侧给出放电完成后电荷在介质表面的分布情况.对于无金属膜覆盖的情形,表面电荷在正负半周除方向正好相反以外,电荷分布基本相同,由于正负电荷均在放电丝位置积累,形成了较强的沿面电位梯度,下一次的放电始终在表面电荷产生的电场最强处发生,表面电荷的积累位置基本不发生变化,形成了空间位置固定的放电丝.当一侧介质表面有金属覆盖以后(图中的下表面),由于有下表面的表面电荷分布均匀化,只有上表面的表面电荷不均匀积累,于是沿介质面的电位梯度减小,特别是对于上表面是电子积累的情形,叠加在放电空间中表面电荷电场较无金属膜覆盖时均匀得多.此条件下产生的放电丝没有无金属膜覆盖介质表面电荷及其作用是形成介质阻挡放电特性的主要原因之一.对于典型的介质阻挡放电结构,在放电发展的过程中,表面电荷在绝缘介质上积累并且局域不均匀,导致微放电通道在表面电荷积累较多的位置建立.但宏观地看,放电丝可以均匀分布在电极表面,特别是较高电压下,即放电空间产生的大量放电通道布满有效电极面积.同时,由于表面电荷在介质上无法自由移动,各放电通道相对独立,微放电通道通常位置也基本稳定.这一点也得到实验和模拟的证明

[2,7]

.由于电子的轻小和易

迁移,空间电子在介质表面积累时,局部表面电子也可以均匀化,但面积很有限,只能局限于放电通道附近大致1到几个通道面积;正离子面电荷在介质表面的分布是非均匀化的,基本处于1个放电通道的范围[7].

但如果介质表面覆盖金属膜,介质表面被等电位化,表面电荷由于电荷在金属面的自由移动,可以集中或完全均匀分布,取决于金属膜表面附近的电第12期段晓溪等:表面性质对介质阻挡放电的影响

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时的放电丝稳定,外界的扰动很容易使得放电丝的位置发生移动.

有的理论分析表明,在较高气压下,空间的热不稳定性将导致空间折合场强增大,放电增强的正反馈结果,有利于下一次放电在原通道处产生,不符合实验结果.所以自禁止效应的产生,主要是由于局域的热效应对介质表面电荷积累的影响导致的.

3󰀂结󰀂论

实验结果表明,覆盖金属后放电空间中不再出现大量位置固定的放电通道,而是呈现数量很少的几根放电丝,且随时间缓慢运动.金属膜使介质表面等电位化,表面电荷因自由移动而重新分布,根据周围电场情况或集中或均匀化;沿介质表面由于表面电荷积累导致的电势梯度减小,放电丝局域的热效应对介质表面电荷积累的影响产生自禁止效应,导致了放电丝沿一定的方向在空间中运动.因此,介质表面状态对介质阻挡放电模式和特性有很大影响.

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图5󰀂介质表面电荷分布示意图

Fig.5󰀂Sketchofdistributionofthesurfacechargeonthedielectric

󰀂󰀂图3中的放电丝运动有一定的方向性,即在较短的路径上大致朝着一个方向运动,而不是在某一位置来回摆动,放电呈现自禁止效应,即禁止放电通道在原位置产生,导致放电丝背离放电通道运动.经前面的定量分析得出,这种自禁止效应经历过数百次的电流脉冲才能使得放电丝移动其直径大小的距离,所以每一次放电过程中产生的介质表面的电荷扩展、金属膜表面的等电位化以及空间电荷的行为均不应是产生自禁止效应的原因;另外,由于介质表面没有经过湿处理,所以文献[6]中关于水蒸气的作用导致DBD放电丝运动的条件也不满足.对于此条件下自禁止现象产生的原因,作者认为是由于数百次脉冲导致的热效应对介质表面电荷积累的影响.无论是对于空气还是对于介质表面,在ms时间尺度内的热扩散可忽略,上百次电流脉冲在稳定放电通道位置形成了局域加热.若局部的热效应使得放电通道位置介质表面的电荷积累减少,对于有金属膜覆盖的DBD结构,由于其表面电荷导致的沿面电势梯度较小,热效应较小的影响就可能使其沿面表面电荷积累量的梯度反向,从而使原通道位置在其局域内处于表面电荷电场最小处,下一次的放电将偏离此位置,自禁止效应产生.对于无金属膜覆盖的DBD结构,由于其表面电荷导致的沿面电势分布梯度较大,热效应的作用不足以使得梯度反向,所以放电依旧在原通道处产生,得到稳定的放电丝.作者认为热效应对金属膜上的表面电荷分布以及放电空间的作用较弱,不是放电丝运动形成的主要原因.因为金属膜表面相对于绝缘介质表面具有更高的电导率和热导率,局域的热效应以及局域热效应导致的电荷分布的改变将不明显;对于放电空间,已

(责任编辑:赵业玲)