大连理工大学
博士学位论文
大气压均匀介质阻挡放电以及多针电晕增强放电机理研究
姓名：齐冰
申请学位级别：博士
专业：等离子体物理
指导教师：王德真;任春生
20070601
齐冰：大气压均匀介质阻挡放电以及多针电晕增强放电机理研究
介质阻挡放电是通过在放电空间插入介质，利用介质表面对电子的吸附作用，形成反向电场，对放电过程产生抑制，避免放电过度发展的一种放电装最。实验装置如图１．２所示。介质阻挡放电装置可以分成两种：一种用来产生体放电，如图１．２（ａ）（ｂ）所示；另一种用来产生沿面放电，如图１．２（Ｃ）所示。产生体放电的介质阻挡放电装置还可以进一步分成两种，一种是平板型电极结构，如图１．２（ａ）所示；另一种是圆筒型电极结构，如图１．２（ｂ）所示。介质板可以覆盖在单独电极的表面，也可以覆盖在两个电极的表面，还可以悬挂在两个电极之间，各自有不同的用途。介质阻挡放电的最大的优点是能够在很大的气压和频率范围内工作。目前常用的工作条件是气压为１０４～１０６Ｐａ、频率为５０Ｈｚ～１ＭＨｚ。在大气压强下，介质阻挡放电通常有三种工作模式，第一种是丝状放电模式；第二种是斑图放电模式；第三种是辉光放电模式。在丝状放电模式中，通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成。电流细丝在空间和时间上都是无规则分布的，这种电流细丝就称为微放电，每个微放电的时间过程都很短促，寿命不到ｌＯｎｓ，而电流密度却可高达０．１～１０００Ａ／ｃｍ２。圆柱状细丝的半径约为０．１ｍｍ。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈明亮的斑点，直径约为几个ｒｆｆｆｎ。图１．３为空气中微放电在介质表面上的斑点照片。
图Ｉ．３空气中微放电的照相。”。
Ｆｉｇ．１．３Ｔｈｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｉｎａｉｒ【”】
介质阻挡放电微放电的主要特性如下表１．１所示。
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等铋ｇ爵㈦ｓ，式中ｍ。、ｍ。分别代表离子和电子的质量，％和％分别代表离子和电子的速度，Ｐ代表电子电量，ｐｒ堋，代表一个周期内的有效电压，ｄ代表电极间距。１９９７年，Ｍａｓｓｉｎｅｓ等人啪３利用纳秒量级的高速ＣＣＤ并结合数值模拟的方法，对氦气中辉光放电的形成进行了更加细致的研究。他们发现，在放电发生的起始阶段［图１，５（１，２，３，４）］，放电类型属于汤生放电。图１．５（１）中贴近阳极部分的亮区是由记忆电荷形成的，其强度随着放电的进行而逐渐减弱。在放电产生以后，发光区域随处可见［图１．５（２）］，随后在中间略靠近阴极的位置发光强度逐渐增强，这和汤生放电的特点非常的吻合。图１．６是对应电流强度最大位置的发光照片，从图中可以清晰地看到放电区域分成了三个部分：最亮的部分出现在靠近阴极的薄层，紧接着出现一个暗区，然后阳极附近形成了一个较亮的发光区域，这一现象非常类似于低气压辉光，三个区域分别对应阴极辉区，法拉第暗区和正柱区。这是人们首次观察到大气压辉光放电中的分层现象。基于以上的实验基础，Ｍａｓｓｉｎｅｓ等人揭示了氦气介质阻挡辉光放电的具体形成过程：随着电压的升高，种子电子被电场加速，和中性分子发生碰撞，通过潘宁过程使之电离。通过光电效应和离子轰击阴极，产生二次电子，形成自持放电，这时的放电属于典型的汤生放电。由于离子的移动速度远远小于电子的移动速度，因此在阴极附近出现由正离子形成的阴极位降区。阴极位降区的形成，直接导致了辉光放电的形成。从放电开始到形成阴极位降区的整个过程，所需要的时间为４ｐｓ。
图ｉ．５１００纳秒曝光时间放电起始时发光图片。电流为周期性电流脉冲。（ａ）放电的电流波形，数字对应放电的不同时刻。（ｂ）与数字时刻相对应的放电发光图。电极间距为５ｍｍ，阴极在下面“’３ＨＧ．１．５．１００∞ｅｘｐｏｓｕｒｅｔｉｍｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｔｈｅｇａｐｔａｋｅｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｉｎｉｄａｆｉｏｎ。ｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔｂｅｉｎｇｐｅｒｉｏｄｉｃ．ＴｈｅｎｕｍｂｅｒＯｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｃｆｏｒｍ．（ａ）ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏｔｈｅｎｕｍｂｅｒ０１１ｔｈｅｌｅｆｔ
齐冰：大气压均匀介质阻挡放电以及多针电晕增强放电机理研究
ｓｉｄｅｏｆｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅ．＠ａｎｄｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｔｉｍｅｗｈｅｎｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｗａｓｔａｋｅｎ，Ｔｈｅｇａｐｌｅｎｇｔｈｉｓ５ｍ．ｍ．ｂｅａｃｈ
ｐｉｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｃａｔｈｏｄｅｉｓｌｏｃａｔｅｄａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍ［叫
图１．６当放电电流达到最大值时发光图，曝光时间１０纳秒。电极间距为５㈣，阴极位于底都㈣。
ＦＩＧ．１．６．１０ｎｓｅｘｐｏｓｕｒｅｔｉｍｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｇａｐｔａｋｅｎｗｈｅｎｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔｉｓｍａｘｉｍｕｍ．Ｔｈｅ
ｉｓ５ｍｉｌｌａｎｄｔｈｅｃａｔｈｏｄｅｉｓｌｏｃａｔｅｄａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍＩ州．
ｇａｐｌｅｎｇｔｈ
他们对电场分布、离子密度分布和电子密度分布进行了数值模拟。模拟结果如下图所示。从图１．７中可以清楚地看到，离子密度在阴极附近达到了极大值，而与此相对应的是电场分布在阴极附近也有一个极大值，即阴极位降区，在电极间９０％以上的压降降落在这个区域。
＾■‰㈣
图１．７当电流达到最大值时的离子密度、电子密度和电场强度的空间演化图。阴极在右边，阳极在
左边‘”。
ＦＩＧ．１．５７．Ｓｐａｔｉａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｄｃｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｉｅｓａｔｔｈｅｔｉｍｅｗｈｃｎｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔｉｓｎｌａｘｉｍｕｍ．Ｔｈｅｃａｔｈｏｄｅｉｓｏｎｔｈｅｒｉｇｈｔｓｉｄｅａｎｄｔｈｅａｎｏｄｅ０ｎｔｈｅｌｅｆｔｓｉｄｅＨ”．此外，他们还对离子密度、电子密度以及电场随空间的演化做了细致的模拟，如下图１．８所示。并据此得出了一个重要的结论：若希望在高气压放电过程中实现辉光放电而不是丝状放电，一个重要的条件是在低电场条件下尽量增加种子电子密度，这样能够
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避免单个的电子雪崩的过快增长。这个重要结论的得出，对于我们在大气压条件下实现辉光有着重要的指导意义。
图１．８电场强度（ａ）、电子密度（ｂ）和离子密度（ｃ）在半个周期内随时问和空间的演化图。开始
时闻ｔ＝５０５４ｍｓ，阴极在０．５ｃｍ的位置‘‘”。
ＦＩＧ．１．８．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇａｈａｌｆｃｙｃｌｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ，ａ，ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ｂ，ａｎｄｔｈｅｉｏｎ
ｄｅｎｓｉｔｙ，ｃ，∞ａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｇａｐａｎｄｔｈｅｔｉｍｅ．Ａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｃｙｃｌｅ∞４５０ｍｓ），
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一９．