介质阻挡放电六边形斑图稳定过程的光谱研究

董丽芳󰀡张!超󰀡张新普󰀡赵龙虎

河北大学物理科学与技术学院!河北保定!-A\"--)

摘!要!采用发射光谱法!首次研究了等离子体参数及激发状态对介质阻挡放电六边形斑图稳定性的影响\"在氩气+空气混合气体的介质阻挡放电中!随着电压的升高!放电丝直径增大!六边形斑图逐渐稳定!同时放电颜色由紫色逐渐变为灰白色!说明其等离子体状态及参数可能发生了变化\"测量了六边形斑图放电过程中氮分子谱线和氩原子谱线相对于氩原子AF!&,\"6;的相对强度#分子振动温度和电子激发温度随外加电压的变化\"结果发现$氮分子谱线相对强度随电压增加而降低!氩原子谱线相对强度却升高%分子振动温度与电子激发温度均随电压增加而增大\"这些现象表明$随着电压增大!电子能量增加\"由此!氩原子激发增多!放电丝直径增大!介质表面上沉积的壁电荷面积增大!放电丝之间的相互作用增强!六边形斑图趋于稳定\"

关键词!介质阻挡放电%斑图%分子振动温度%电子激发温度

中图分类号󰀡󰀢󰀡󰀣󰀤󰀥@BF\"&)@B!!&B8!!!!\"#\"-&!EFB&9336&\"---+-,E!)-\"!\"\"+)E-!+-B!!文献标识码󰀡G

引!言

是一种非平衡态的交流气体放[T['!!介质阻挡放电&

!)\")!是低温等离子体物理的一个重要研究领域\"在介质电(

阻挡放电中!当(气压C与气隙间距,值的乘积'较高7值&时!放电是由大量放电丝组成的\"通常说来!放电丝的直径与放电气体有关!在相同气压下!空气放电中的放电丝直径小于氩气放电丝的直径

(!)!B

\"!实验部分

-;;!玻璃边界!!实验装置如图\"所示\"将两个直径为A

厚\"&,;;的圆柱形容器充满水作为水电极!每个容器都有一根金属丝与电源相连!并将它们都放入可调节气体含量的!驱动电压的幅值可通密闭室中\"气压范围是\"-\"\"--_^5过高压探头&探测并通过示波器C/_12$69e^F-\",8\"---g'&'采集记录下来\"用数码相机&C/_12$69e[^@B-\"-T'9_$6

\"在多数情况下!放电丝随机游

走!杂乱分布\"但在合适的条件下!放电丝停止游动并自组

),+*织形成规则的斑图结构(\"由此可见!放电丝由运动变为

静止!是介质阻挡放电斑图形成的关键因素之一\"以往的研究表明!放电丝的运动状态取决于其受力情况!而受力又与

)E其等离子体参数及状态有关(\"因而!研究放电丝运动状态

与等离子体参数及状态的关系!对于搞清介质阻挡放电斑图的形成机制具有重要意义\"但是!目前有关这方面的研究尚未见报道\"鉴于此!本工作首次对等离子体激发状态#分子振动温度及电子激发温度对放电丝运动状态的影响进行了研究!并对斑图形成的相关机制进行了讨论\"

$%'(4/71C%/B%8+8C*29711@1+%C1-980=19;!&&..

󰀦修订日期󰀡)-\"!+-B+-))-\"!+-A+-,!收稿日期󰀡

'!博士点基金项目&'!河北省科技厅重点项目&和河北省教育厅重\"\"\"A,-,B)-\"-\"!-\"\"\"---\"\"\"EFA\"!,['!基金项目󰀡国家自然科学基金项目&

点项目&'资助][)-\"-\"B-$\"EF!年生!河北大学物理科学与技术学院教授!!/+;59%7$6%S59%&Q)E-B

光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!!卷

[A---'记录六边形斑图的演化过程\"气体放电后发出的光先通过透镜成像!再由光纤探头导入光谱仪&8JC@'8[+#8'J\\[.^)A,-8!

JJ[$\"!B-gB--(9e/%3'!由计算机采集分析后进行存储\"密闭室中为含量为E-l的氩气和\"-l的空气的混合气体\"实验使用的驱动频率为B-_Db!气压为-&F个大气压!气隙厚度为)&B;;!六边形边界边长为)&F0;\"

)!结果与讨论

!!实验发现!随着电压的升高!斑图中放电丝直径#颜色及稳定性均发生改变\"图)给出了不同电压下六边形斑图的照片!可以看出$随着电压的升高!斑图中放电丝的直径逐渐变大!颜色也由紫色逐渐变成灰白色\"为了表征放电丝的运动状况!我们用录像机记录了不同电压下六边形斑图的稳定性情况\"图!是从录像中截取的几个不同时刻的照片!每组照片之间的时间间隔是B--;3\"图!&5\"'1&5!'给出了电压为!&,_#时三个时刻的照片!&5B'是对这三张照片的染色叠加\"可以清楚地看出!前两张照片中两个放电丝的位置均发生明显改变!运动幅度很大!第三张照片中还有另一个放电丝游进\"图!&<\"'1&给出了电压为,&,_#时放电丝的运动情况!与前面情况相比发现!虽然放电丝的位置也发生改变!但其幅度已经大大减小\"图!&0\"'1&0B'是电压为A_#时放电丝的运动情况!经叠加后发现三种颜色几乎重叠在一起!说明放电丝几乎静止不动\"由图!还可清楚地看出!随着电压的显著增加!放电丝直径增大!且放电丝直径的增加速率大于电压增加速率\"而图)中!&,_#时和B_#时由于电压都比较低!放电丝运动比较剧烈!颜色变化不大!放电丝直径变化也不大!但是随着电压的继续升高!整体趋势是放电丝的直径逐渐变大\"

放电丝直径及其颜色的改变!说明其等离子体状态及参数可能发生了变化\"因此!我们采用发射光谱法!对不同电压下六边形斑图的等离子体状态及参数进行了研究\"

$%&'5!X%/9;+1=*297171@8&*-.91+-B%221+1-9:*098&

1='&O711@.*=;+19%C1*29712+8C1=%=5HC='!!用光谱仪的!

--I*;;Z\"光栅采集了不同电压下的发光谱!如图B所示\"由图可以看出!随着电压的升高!氩原子谱线强度显著增加!而氮分子各谱线强度变化不大\"为此!我们采用氩原子AF!&,\"6;&)DF'\"-,'

的谱线强度作为标准!研究了各谱线的相对强度随电压的变化!如图,所示\"随着电压的升高!氮分子各谱线相对强度明显下降!而氩原子除AA)6;谱线外的各谱线强度均为上升趋势!说明受激发的氩原子数比例增多!与实验中观察到的斑图颜色由紫色转变成灰白色现象一致\"比较氩原子谱线及氮分子谱带上能级的激发电位!可看出氩原子各谱线的激发态电位均高于氮

分子第二正带&@!(P'B!(R'

的激发电位\"因此!氩原子激发比例的增多!说明电子能量随着外加电压的增加而增加\"

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1=!!利用氮分子第二正带系发射谱线&@!(P'B!(R'

计算得到氮分子的振动温度\"实验采用了两组振动序带$+*U&-+!\"+!!)+B'和&-+!!\"+B!)+,

'\"保持其他参数不变!只升高电压!研究分子振动温度的变化!结果如图F所示\"可以看出!随着电压从!&,_#升高到A_#!六边形斑图的分子振动温度增加!温度的范围是从))B-\")BF-H\"选取氩原子谱线AF!&,\"6;&)DF'\"-,'和AA)&B)6;&)D)'\"-!'

来计算电子激发温度\"实验结果如图A所示!电子激发温度随电压的增加而增大!其变化范围

$)第\"\"期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析

)E-,

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得出的结论一致\"

由于氩原子能级的激发电位高于氮分子的激发电位!电子能量增大后!被激发的氩原子的比例就会增大\"如前所述!氩气放电丝直径大于空气放电丝直径\"随着电压的升高!氩原子激发的比例增大后!放电丝的直径就会增大\"我们知道!介质阻挡放电中的介质表面沉积着壁电荷!而壁电荷的面积大小与放电丝面积成正比\"放电丝直径增大!导致

()-介质表面上累积的壁电荷面积增大\"的一.1$%%/6d/2_等\"

项研究表明!介质表面壁电荷分布的宽度是放电丝直径的!将电压)&\"!&-倍\"若我们取这些倍数的中间值&)&,倍'\"

为A_可以粗略地看出!两#时的放电丝直径放大)&,倍后!

$%'I*01/;08+:%G+%*-91C1+;+1!3&.

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个相邻放电丝的壁电荷紧密相接!使得放电丝相互制约而静止不动!由此六边形斑图则趋于稳定\"

!!结!论

+空气混合气体的介质阻挡放电中!发现随着电!!在氩气

压增加!六边形斑图由不稳定逐渐变得稳定!放电丝的直径变大!同时放电的颜色也由紫色转变成灰白色\"采用发射光谱法!对等离子体激发状态#分子振动温度及电子激发温度对放电丝运动状态的影响进行了研究\"结果发现$随电压的升高!氮分子谱线相对于氩原子A的相F!&,\"6;&)D\"-F','对强度降低!而氩原子谱线的相对强度升高!分子振动温度和电子激发温度均随电压的升高而增大\"氩原子的相对谱线

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!!在等离子体中!电子激发温度和分子振动温度的变化可以反映电子温度的变化!进而反映电子能量的变化\"因此!电子能量随外加电压的升高而增大!与前面由谱线相对强度

强度升高表明受激发的氩原子比例增多!与斑图颜色由紫色变为很亮的灰白色这一现象一致\"而分子振动温度和电子激发温度均随电压的升高而增大!反映了电子能量随外加电压的升高而增大\"受激发的氩原子比例增多!则放电丝的直径变大!进而极板上累积的壁电荷面积增大!相邻放电丝的壁电荷紧密相连!斑图就逐渐变得稳定\"综上可见!斑图中放电丝的运动状态与等离子体激发状态及参数有关\"本工作对搞清介质阻挡放电斑图的形成具有重要意义\"

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光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!!卷

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