第31卷 第2期2011年 3月河北大学学报(自然科学版) Journal of H ebei U niv ersity (N atural Science Edition) Vol. 31No. 2M ar. 2011
针-板介质阻挡放电3种放电模式特性
任国强, 杨丽
(河北大学物理科学与技术学院, 河北保定 071002)
摘 要:设计了一种具有透明平板电极的针-板介质阻挡放电装置, 研究了大气压氩气/空气混合气体放电中不同放电模式的特性. 实验通过改变电压, 实现了3种模式的放电:电晕放电、单丝放电和火花放电. 在3种模式中, 电流脉冲在外加电压的正、负半周表现出不同性质. 采集了3种放电模式下的发射光谱, 计算了分子振动温度, 结果表明:电晕放电时分子振动温度最高, 单丝放电次之, 火花放电最低.
关键词:介质阻挡放电; 电晕放电; 火花放电
中图分类号:O 461. 2; O 433. 4 文献标志码:A 文章编号:1000-1565(2011) 02-0141-03
Characteristics of Three Types of Discharge Modes
in A Needle -plate Dielectric Barrier Discharge
R EN Guo -qiang, YANG Li
(Co lleg e of Phy sics Science and Technolog y, H ebei U niversity, Baoding 071002, China)
Abstract:A needle -plate dielectric barr ier discharge device w ith a transparent plate electrode is de -signed and used to study on characteristics of different types of discharg e m odes in atm ospheric discharg e in ar gon/air m ixture. T hree types of discharg e m odes, w hich are co rona dischar ge, m ono filament discharg e, and spark discharge, are realized by chang ing the applied vo ltag e. T he discharg e currents in positive half -cycle of the applied voltage are differ ent from that in negative half -cycle. The optical em ission spectra are collected in three ty pes o f discharges and the m olecular vibrational tem peratures are calculated. It show s that the vibrational tem perature in co rona discharg e is the highest and that in mo nofilament discharg e is larger than that in spark discharg e.
Key words:dielectric barrier discharg e; co rona discharge; spar k dischar ge
介质阻挡放电, 又称无声放电, 是产生冷等离子体的一种简便方法, 为一种典型的非平衡态的交流气体放电[1-6]. 其实验装置主要结构特征是至少有1个电极的表面覆盖有电介质. 介质阻挡放电被广泛地应用于离子体化学气相沉积、CO 2激光器、污染物控制、大功率准分子紫外及真空紫外光源以及平面等离子体显示技术等应用领域. 针-板式电极装置是介质阻挡放电的一种结构, 可用于一些特殊工件的表面处理.
本工作设计了1种具有透明平板电极的针-板介质阻挡放电装置, 通过改变电压实现了大气压氩气/空气混合气体放电的3种放电模式, 测量了3种放电模式下的电压电流信号及分子振动温度.
收稿日期:2010-09-20
基金项目:河北省自然科学基金资助项目(A 2008000564)
第一作者:任国强(1963-) , 男, 河北徐水人, 河北大学副教授. E -mail:r eng uoqiang 2007@126. co m
142 河北大学学报(自然科学版) 2011
年1 实验装置
实验装置由电极、真空室、驱动电源及信号的采集和分析4部分组
成, 如图1所示. 放电电极是由一个装满水的内径为47mm 的圆柱形容
器和一根直径为1. 1mm 的金属(钨) 针组成, 玻璃兼作电介质, 金属针
电极与电源的低压端相连. 整个电极系统放入一个密封的气室中, 放电
间距为3mm, 气室中的气体为空气和氩气的混合气体, 空气的体积分数
5为20%, 气体压强1 10Pa, 电源频率为42kH z, 电压可以在1~10kV
内调节. 利用光谱仪(Acto n 2750, 300线/mm 光栅) , 采集光谱信号.
图1 针-板介质阻挡放电实验装置
2 实验结果与讨论Fig. 1 Experimental setup of needle -plate
dielectric ba rrier discharge
实验通过改变电压, 实现了电晕放电、单丝放电、火花放电3种放电
模式, 如图2所示. 首先, 升高电压, 放电气体击穿, 放电持续一段时间后再降低电压. 当电压降至3. 6kV 时, 放电通道呈不完全击穿状态, 只在金属针尖附近产生光晕, 发光强度较暗, 此时为电晕放电, 如图2a 所示; 然后缓慢升高电压, 当电压达到4. 4kV 时, 电极间形成单个稳定的放电丝, 如图2b 所示. 此时在放电装置的侧面观看放电丝呈左倒 T 型, 在介质板表面形成微小的圆形光晕; 继续升高电压, 增至5. 2kV 时, 放电转化成火花放电模式, 发光很强并布满整个放电区域, 如图2c 所示
.
左列为放电侧面的照片; 右列为放电端面的照片.
a. 电晕放电, U =3. 6kV; b. 丝状放电, U =4. 4kV ; c. 火花放电, U =5. 2kV.
图2 放电模式随电压的变化
Fig. 2 Variation of discharge modes with the increase of the applied voltage
图3为3种放电模式的电流波形. 图3a 为电晕放电, 此时只在电压的正半周有电流信号, 且放电发生. , b
第2期任国强等:针-板介质阻挡放电3种放电模式特性 143 电, 此时在电压的正负半周都有放电, 且击穿时刻均在电压的上升沿, 但在电压正半周的电流小于负半周的电流. 图3c 为火花放电, 电流的强度明显增大, 正半周的电流信号成一个包络, 负半周的放电脉冲数量增多, 并且出现了在电压下降沿的放电. 显见, 在几种放电模式下电流脉冲均不对称, 其原因是因为电极的不对称:一边为针电极, 一边为有阻挡层的平板电极.
采用光谱法测量了3种模式的分子振动温度. 放电发出的光经透镜成像, 利用带有光纤探头的光谱仪, 采用300线/m m 的光栅, 采集了3种放电模式下的氮分子发射谱线(300~420nm) , 如图4所示. 采用氮分
33子第2正带(C u B g ) 的顺序带组 =-2(0-2, 1-3, 2-4) 和 =-3(0-3, 1-4, 2-5) 计算出了
3种模式分子振动温度. 结果表明:3种放电模式中电晕放电的振动温度最高, 单丝放电次之, 火花放电最低.
综上所述, 在针-板介质阻挡放电装置中, 通过改变电压, 实现了大气压下氩气和空气混合气体的放电3种放电模式. 放电电流在外加电压的正、负半周期表现出不同性质. 在3种模式中, 电晕放电的振动温度最高, 单丝放电次之, 火花放电最低
.
a 电晕放电; b 单丝放电; c 火花放电. a 电晕放电; b 单丝放电; c 火花放电.
图3 3种放电模式的电流波形 图4 3种放电模式氮分子的发射光谱
Fig . 3 Wavef orms of current of three discharge types Fig. 4 Emission spectra of nitrogen
molecules in three types of discharges
参 考 文 献:
[1]X U Xueji. Dielectr ic barr ier discharg e -pr operties and applications[J]. T hin So lid F ilms, 2001, 390(2) :237-242.
[2]K O GEL SCH A T Z U L RICH. Dielectric -bar rier discharg es:their histor y, dischar ge phy sics, and indust rial a pplicat ions[J].
Plasma Chemistry and Plasma Pro cessing , 2003, 23(1) :1-46.
[3]M U LL ER I, PU N SET C, A M M EL T E, et a l. Selfor ganized filament s in dielectr ic bar rier glow discharg es[J]. I EEE T r ans -
actio n o n Plasma Science, 1999, 27(1) :20-21.
[4]A ST R OV Y A, PU RW IN S H G. P lasma spo ts in a gas dischar ge system:Bir th, scattering and for matio n o f molecules[J].
Phys L et t A , 2001, 283:349-354.
[5]谢伟霞, 董丽芳, 赵海涛. 气体放电超六边形斑图的时空动力学测量[J]. 河北大学学报:自然科学版, 2007, 27(增) :36-38.
[6]赵海涛, 董丽芳, 谢伟霞, 等. 气体成分对介质阻挡放电中超四边形斑图的影响[J]. 河北大学学报:自然科学版, 2007,
27(增) :64-67.
(责任编辑:孟素兰)
第31卷 第2期2011年 3月河北大学学报(自然科学版) Journal of H ebei U niv ersity (N atural Science Edition) Vol. 31No. 2M ar. 2011
针-板介质阻挡放电3种放电模式特性
任国强, 杨丽
(河北大学物理科学与技术学院, 河北保定 071002)
摘 要:设计了一种具有透明平板电极的针-板介质阻挡放电装置, 研究了大气压氩气/空气混合气体放电中不同放电模式的特性. 实验通过改变电压, 实现了3种模式的放电:电晕放电、单丝放电和火花放电. 在3种模式中, 电流脉冲在外加电压的正、负半周表现出不同性质. 采集了3种放电模式下的发射光谱, 计算了分子振动温度, 结果表明:电晕放电时分子振动温度最高, 单丝放电次之, 火花放电最低.
关键词:介质阻挡放电; 电晕放电; 火花放电
中图分类号:O 461. 2; O 433. 4 文献标志码:A 文章编号:1000-1565(2011) 02-0141-03
Characteristics of Three Types of Discharge Modes
in A Needle -plate Dielectric Barrier Discharge
R EN Guo -qiang, YANG Li
(Co lleg e of Phy sics Science and Technolog y, H ebei U niversity, Baoding 071002, China)
Abstract:A needle -plate dielectric barr ier discharge device w ith a transparent plate electrode is de -signed and used to study on characteristics of different types of discharg e m odes in atm ospheric discharg e in ar gon/air m ixture. T hree types of discharg e m odes, w hich are co rona dischar ge, m ono filament discharg e, and spark discharge, are realized by chang ing the applied vo ltag e. T he discharg e currents in positive half -cycle of the applied voltage are differ ent from that in negative half -cycle. The optical em ission spectra are collected in three ty pes o f discharges and the m olecular vibrational tem peratures are calculated. It show s that the vibrational tem perature in co rona discharg e is the highest and that in mo nofilament discharg e is larger than that in spark discharg e.
Key words:dielectric barrier discharg e; co rona discharge; spar k dischar ge
介质阻挡放电, 又称无声放电, 是产生冷等离子体的一种简便方法, 为一种典型的非平衡态的交流气体放电[1-6]. 其实验装置主要结构特征是至少有1个电极的表面覆盖有电介质. 介质阻挡放电被广泛地应用于离子体化学气相沉积、CO 2激光器、污染物控制、大功率准分子紫外及真空紫外光源以及平面等离子体显示技术等应用领域. 针-板式电极装置是介质阻挡放电的一种结构, 可用于一些特殊工件的表面处理.
本工作设计了1种具有透明平板电极的针-板介质阻挡放电装置, 通过改变电压实现了大气压氩气/空气混合气体放电的3种放电模式, 测量了3种放电模式下的电压电流信号及分子振动温度.
收稿日期:2010-09-20
基金项目:河北省自然科学基金资助项目(A 2008000564)
第一作者:任国强(1963-) , 男, 河北徐水人, 河北大学副教授. E -mail:r eng uoqiang 2007@126. co m
142 河北大学学报(自然科学版) 2011
年1 实验装置
实验装置由电极、真空室、驱动电源及信号的采集和分析4部分组
成, 如图1所示. 放电电极是由一个装满水的内径为47mm 的圆柱形容
器和一根直径为1. 1mm 的金属(钨) 针组成, 玻璃兼作电介质, 金属针
电极与电源的低压端相连. 整个电极系统放入一个密封的气室中, 放电
间距为3mm, 气室中的气体为空气和氩气的混合气体, 空气的体积分数
5为20%, 气体压强1 10Pa, 电源频率为42kH z, 电压可以在1~10kV
内调节. 利用光谱仪(Acto n 2750, 300线/mm 光栅) , 采集光谱信号.
图1 针-板介质阻挡放电实验装置
2 实验结果与讨论Fig. 1 Experimental setup of needle -plate
dielectric ba rrier discharge
实验通过改变电压, 实现了电晕放电、单丝放电、火花放电3种放电
模式, 如图2所示. 首先, 升高电压, 放电气体击穿, 放电持续一段时间后再降低电压. 当电压降至3. 6kV 时, 放电通道呈不完全击穿状态, 只在金属针尖附近产生光晕, 发光强度较暗, 此时为电晕放电, 如图2a 所示; 然后缓慢升高电压, 当电压达到4. 4kV 时, 电极间形成单个稳定的放电丝, 如图2b 所示. 此时在放电装置的侧面观看放电丝呈左倒 T 型, 在介质板表面形成微小的圆形光晕; 继续升高电压, 增至5. 2kV 时, 放电转化成火花放电模式, 发光很强并布满整个放电区域, 如图2c 所示
.
左列为放电侧面的照片; 右列为放电端面的照片.
a. 电晕放电, U =3. 6kV; b. 丝状放电, U =4. 4kV ; c. 火花放电, U =5. 2kV.
图2 放电模式随电压的变化
Fig. 2 Variation of discharge modes with the increase of the applied voltage
图3为3种放电模式的电流波形. 图3a 为电晕放电, 此时只在电压的正半周有电流信号, 且放电发生. , b
第2期任国强等:针-板介质阻挡放电3种放电模式特性 143 电, 此时在电压的正负半周都有放电, 且击穿时刻均在电压的上升沿, 但在电压正半周的电流小于负半周的电流. 图3c 为火花放电, 电流的强度明显增大, 正半周的电流信号成一个包络, 负半周的放电脉冲数量增多, 并且出现了在电压下降沿的放电. 显见, 在几种放电模式下电流脉冲均不对称, 其原因是因为电极的不对称:一边为针电极, 一边为有阻挡层的平板电极.
采用光谱法测量了3种模式的分子振动温度. 放电发出的光经透镜成像, 利用带有光纤探头的光谱仪, 采用300线/m m 的光栅, 采集了3种放电模式下的氮分子发射谱线(300~420nm) , 如图4所示. 采用氮分
33子第2正带(C u B g ) 的顺序带组 =-2(0-2, 1-3, 2-4) 和 =-3(0-3, 1-4, 2-5) 计算出了
3种模式分子振动温度. 结果表明:3种放电模式中电晕放电的振动温度最高, 单丝放电次之, 火花放电最低.
综上所述, 在针-板介质阻挡放电装置中, 通过改变电压, 实现了大气压下氩气和空气混合气体的放电3种放电模式. 放电电流在外加电压的正、负半周期表现出不同性质. 在3种模式中, 电晕放电的振动温度最高, 单丝放电次之, 火花放电最低
.
a 电晕放电; b 单丝放电; c 火花放电. a 电晕放电; b 单丝放电; c 火花放电.
图3 3种放电模式的电流波形 图4 3种放电模式氮分子的发射光谱
Fig . 3 Wavef orms of current of three discharge types Fig. 4 Emission spectra of nitrogen
molecules in three types of discharges
参 考 文 献:
[1]X U Xueji. Dielectr ic barr ier discharg e -pr operties and applications[J]. T hin So lid F ilms, 2001, 390(2) :237-242.
[2]K O GEL SCH A T Z U L RICH. Dielectric -bar rier discharg es:their histor y, dischar ge phy sics, and indust rial a pplicat ions[J].
Plasma Chemistry and Plasma Pro cessing , 2003, 23(1) :1-46.
[3]M U LL ER I, PU N SET C, A M M EL T E, et a l. Selfor ganized filament s in dielectr ic bar rier glow discharg es[J]. I EEE T r ans -
actio n o n Plasma Science, 1999, 27(1) :20-21.
[4]A ST R OV Y A, PU RW IN S H G. P lasma spo ts in a gas dischar ge system:Bir th, scattering and for matio n o f molecules[J].
Phys L et t A , 2001, 283:349-354.
[5]谢伟霞, 董丽芳, 赵海涛. 气体放电超六边形斑图的时空动力学测量[J]. 河北大学学报:自然科学版, 2007, 27(增) :36-38.
[6]赵海涛, 董丽芳, 谢伟霞, 等. 气体成分对介质阻挡放电中超四边形斑图的影响[J]. 河北大学学报:自然科学版, 2007,
27(增) :64-67.
(责任编辑:孟素兰)