（电气工程专业论文）大气压下沿面辉光放电的理论与实验研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 本文较为详尽介绍了大气压下介质阻挡放电( d b d ) 实验与理论研究结果，同时 总结了介质阻挡放电的实验与理论研究方法。重点论述了沿面介质阻挡放电的电 场计算、数值模拟以及实验研究，旨在使得沿面介质阻挡放电产生的等离子体能 够满足电磁波与等离子体相互作用研究的需要。现有的理论结果表明一定等离子 体密度下等离子体的厚度决定了等离子体对电磁波的吸收效果，在适当的气体压 强下提高沿面放电的等离子体厚度是研究沿面介质阻挡放电的最终目 标。 本文首先运用边界元方法计算静态电压下发生器的场强分布，根据计算的场 强对发生器进行优化设计，选择了最适合产生等离子体的发生器类型与结构参数， 而后再进行放电实验来验证。从实验结果来看，这一方法能够较好地解决等离子 体发生器研制问题，从而有希望能够产生与电磁波有明显作用效果的等离子体。 从计算得到电场分布图，我们对梳状电极沿面介质阻挡放电行为进行了分析 与推断，对于单面梳状电极的发生器，沿着介质板法向方向的位置上电场强度下 降很快，这也决定了放电产生的等离子体发光厚度有限。为此我们试图通过改变 电极结构而达到发生器在介质面垂直方向上的电场梯度变小。从改进型沿面放电 与电极共面型发生器的电场分布来看，这两种发生器沿介质板法向方向位置上的 电场梯度得到很大程度的改善。 本文应用辉光放电的捕获机制模型对梳状电极沿面放电发生器产生辉光放电 进行了数值模拟。从数值模拟的结果来看，在确定的发生器电极结构下，当电压 的峰一 峰值电压为9 k v 时， 发生沿面辉光的条件是电压频率至少为9 k h z ， 而当频率 为1 m h z 时，沿面放电将出现丝状放电的模式，因而这一模拟结果对沿面放电发生 器的研制有很重要的指导意义。根据数值模拟的结果，对沿面放电发生器进行了 放电实验。实验中电源输出的电压波形为交流正弦波，在峰一 峰值电压为9 k v 时发 生沿面辉光放电的电压频率为l o k h z ，同时等离子体发光厚度低于 l m m ，上述实验 结果较好得验证了理论计算的结果。由于电源输出频率的限制，实验无法验证在 电压频率为 1 4 1 h z 时将出现丝状放电这一理论结果。 本文就改进型沿面放电与电极共面型沿面放电发生器进行了实验研究，从实 验结果来看，改进型沿面放电发生器在较低的气体压强下 ( 3 k p a )产生较厚的等 离子体发光层，而电极共面型沿面放电发生器在压强为3 0 k p a 时产生了8 二的均 匀等离子体发光厚度，这一实验结果对应用沿面介质阻挡放电来进行电磁波与等 离子体相互作用的发生器研制具有重要的参考意义。 关键词:介质阻 挡放电等离子体沿面辉光 放电边界 元法数值模拟 -，种种户.种种种如种.种种种种种种种 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract i n t h i s p a p e r , t h e t h e o ry a n d e x p e r i m e n t re s u l t s o f a t m o s p h e r i c p r e s s u r e d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e (沐 p d b d ) a r e d e t a i l e d l y i n t r o d u c e d , a n d a t t h e s a m e t i m e , t h e t h e o ry a n d e x p e r i m e n t m e t h o d o f d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ( d b d ) i s s u m m a r i z e d . i n o r d e r t o m a k e t h e p l a s m a , w h i c h i s g e n e r a t e d b y s u r f a c e d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ( s d b d ) , s a t i s f y t h e d e m a n d s o f t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e p l a s m a a n d e l e c t r o m a g n e t i c w a v e , t h e e l e c t r i c fi e l d i n t e n s i ty c a l c u l a t i o n a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t s o f s d b d a r e m a in l y d i s c u s s e d . t h e t h e o ry re s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e e ff i c i e n c y o f w h i c h p l as m a a b s o r b s t h e e l e c t r o m a g n e t i c w a v e d e p e n d s o n t h e t h i c k n e s s o f p l a s m a g r e a t l y w h e n t h e p l as m a d e n s i ty i s a d e q u a c y . t h u s t h e m o s t i m p o rt a n t a im i s t h a t t h e t h i c k n e s s o f p l a s m a i s i n c r e as e d h i g h e n o u g h f o r s d b d a t a p r o p e r p re s s u r e . a t f i r s t , t h e t w o - d i m e n s i o n s t a t i c e l e c t r i c a l f i e l d i n t e n s i ty o f s d b d i s c a l c u l a t e d b y b o u n d a ry e l e m e n t me t h o d . , t h e n th e g e n e r a t o r i s o p t i m i z e d a n d d e s i g n e d b as i n g o n t h e c a l c u l a t e d e l e c t r i c fi e l d d i s t r i b u t i o n . i n t h e e n d , t h e m o s t o p t i m i z e d t y p e a n d c o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r i s s e l e c t e d a n d t e s t e d b y e x p e r i m e n t s . f r o m t h e e x p e r i m e n t s r e s u l t s , t h e d e v e l o p m e n t o f p l as m a g e n e r a t o r a t a t m o s p h e re c a n b e s e t tl e d 饰t h e a b o v e m e t h o d , a n d t h e p l as m a o f w h i c h c a n a b s o r b e l e c t r o m a g n e t i c w a v e w i l l c o m e i n t o b e i n g p o s s i b l y . f r o m t h e e l e c t r ic f i e l d i n t e n s i ty d i s t r ib u t i o n , w e a n a l y z e a n d d e d u c e t h e s d b d o f c o m b e d e l e c t r o d e s g e n e r a t o r . f o r t h e s d b d g e n e r a t o r o f s i n g l e - s i d e c o m b e d - e l e c t r o d e s , t h e e le c t r i c f i e l d i n t e n s i ty d e c r e as e s v e ry r a p i d l y a lo n g t h e n o r m a l d i re c t i o n p o s i t i o n o f d i e l e c t r i c b o a r d , s o t h e l u m i n e s c e n c e t h i c k n e s s o f p l a s m a p r o d u c e d b y s d b d i s l i m i t e d . t h e r e f o r e , t h e e l e c t r o d e s c o n f i g u r a t i o n i s a d j u s t e d t o m a k e t h e e l e c t r i c f i e l d g r a d s s m a l l e r a l o n g t h e n o r m a l d i re c t io n o f d i e l e c t r i c b o a r d . f r o m t h e e l e c t r i c f i e l d i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n o f i m p r o v e d - t y p e g e n e r a t o r a n d c o p l a n a r - t y p e g e n e r a t o r , t h e e l e c t r i c f i e l d g r a d s o f b o t h ty p e s g e n e r a t o r a l o n g t h e n o r m a l d i r e c t i o n p o s i t i o n o f d i e l e c t r i c b o a r d i s a m e n d e d l a r g e l y . t h e t r a p p e d m e c h a n i s m i s a p p l i e d t o s i m u l a t e t h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s u r f a c e g l o w d i s c h a r g e ( a p s g d ) w h i c h i s g e n e r a t e d b y t h e c o m b e d - e l e c t r o d e s g e n e r a t o r . t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t in d i c a t e s t h a t t h e c o n d i t i o n o f w h i c h g e n e r a t e d a p s g d i s t h a t t h e a c v o l t a g e fr e q u e n c y i s 9 k h z w h e n t h e e l e c t r o d e s c o n fi g u r a t i o n i s d e t e r m i n a t e a n d t h e s i n u s o i d a l p e a k - t o - p e a k a p p l i e d v o l t a g e i s a b o u t 9 k v wh e n t h e a c v o l t a g e f r e q u e n c y i s a b o u t 1 mh z , t h e d i s c h a r g e p a tt e rn o f s d b d i s f i l a m e n t d i s c h a r g e . t h i s r e s u lt s i s v e ry i m p o rt a n t f o r t h e d e v e l o p m e n t o f s d b d . wi t h t h e n u m e r i c a l s im u l a t i o n r e s u l t s , t h e a p s g d e x p e r im e n t i s c a r r i e d o u t . t h e o u t p u t v o lt a g e o f p o w e r s u p p l y i s n 华 中科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a c s i n u s o i d a l w a v e . wh e n t h e s in u s o i d a l p e a k - t o - p e a k a p p l i e d v o l t a g e i s a b o u t 9 k v a n d i t s f r e q u e n c y i s a b o u t l o k h z , t h e a p s g d w i l l a p p e a r , a n d t h e l u m i n e s c e n c e t h i c k n e s s o f p l a s m a is l e s s t h a n i m m . t h i s e x p e r i m e n t r e s u l t a g r e e s w e l l w i t h t h e c a l c u la t e d r e s u l t s . b e c a u s e o f t h e l i m i t a t i o n o f t h e p o w e r s u p p l y o u t p u t fr e q u e n c y , t h e e x p e r i m e n t c a n n o t v a l i d a t e t h e t h e o ry r e s u lt o f w h i c h th e f i l a m e n t d i s c h a r g e w i l l a p p e a r w h e n t h e v o l t a g e fr e q u e n c y i s a b o u t i m h z . t h e i m p r o v e d - t y p e a n d c o p l a n a r - t y p e g e n e r a t o r s a r e o p e r a t e d u n d e r l o w e r t h a n o n e a t m o s p h e r e p r e s s u r e . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s i n d ic a t e t h a t t h e i m p r o v e d - t y p e g e n e r a t o r p r o d u c e s t h i c k e r l u m in e s c e n c e p l a s m a w i t h lo w e r p r e s s u re ( 3 k p a ) . t h e c o p l a n a r - t y p e g e n e r a t o r c a n g e t t h e 8 n u n p l a s m a l u m i n e s c e n c e t h i c k n e s s w h e n t h e a ir p r e s s u r e i s 3 0 k p a . t h e s e e x p e r i m e n t r e s u l t s a r e v e ry im p o r t a n t f o r u s t o a p p l y t h e s d b d t o s t u d y t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o m a g n e t i c w a v e a n d p l a s m a . k e y wo r d s : d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ( d b d ) p l a s m a a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s u r f a c e g l o w d i s c h a r g e ( a p s g d ) b o u n d a r y e l e m e n t me t h o d n u me r i c a l s i mu l a t i o n w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。 尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到， 本声明的法律结果由本人承 担 。 学位论文作者签名: 日 期 : ， ， 乎 年， 月 对 日 卜宁 和 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 ， 不保密口。 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ( 请在以上方框内打 “j ) 学位论文作者签名; 日期:年月日 指导教师签名: 日 期: 州 年l 月可 日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论 1 . 1研究背景 1 . 1 . 1介质阻挡放电的历史回顾 气体放电是一门古老的学科， 是研究带电粒子在电磁场中运动规律及应用的科 学。其内容非常丰富，应用也极为广泛。气体放电形式多种多样，如电晕、辉光 放电、电弧、电火花、闪电等。近年来，气体放电在磁流体发电、等离子体切割、 焊接、刻蚀、镀膜以及受控热核反应等方面都得到了具体的应用。1 6 7 2年， g . wi l h e l m 首次在旋转硫磺球上发现了人工条件下的电 火花，揭示了 “ 气体放电”的 奥秘。1 8 0 2年， 彼得洛夫发现了电弧放电。1 8 8 9年，f . p a s c h e n 得到了击穿电压 u对压力 p 与板间距离d乘积的依赖关系， 并发现了击穿电压有一个最小值。 早期 气体放电实验研究主要在真空中进行，在真空条件下气体很容易形成辉光放电， 1 9 0 3年，j . s . b . t o w n s e n d为了 解释低气压下放电 现象提出了 气体击穿的 理论， 并于1 9 1 0年发表了“ 击穿判据” 等。随着气体放电实验的积累发现t o w n s e n d放 电理论无法解释弧光以及火花等放电现象， 在1 9 3 9年， h . r a e t h e r 提出了流注理论， 使气体击穿理论又向前发展了一步. 介质阻挡放电( d b d ) 是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆 盖在电极上，也可以悬挂在放电空间中，因在电极两端加上很高的交流电压，即 使在很高的气压下也可以 击穿气体， 通常 放电中间的气体压强可达到1 0 5 p a 或更高， 所以这种放电属于高气压下的非热平衡放电。由于它不像空气中的火花放电那样 会发出巨大的击穿响声，在历史上把这种放电也称为无声放电。在一个大气压下 的介质阻 挡放电已 经有很长历史， 它可以 追溯到1 8 6 0 年代的专利文献。 真正系统而 细致的研究还是在近几十年。1 9 3 2 年，电气工程师b u s s注意到，在两平行板带有 介质的电 极之间的空气间隙中 产生大量狭窄明亮电 流细丝12 0 1 . 1 9 6 8 年， b a r t n i k a s 发现对于在空间接近的两平行板且覆盖上一层介质电极中氦气放电可以产生脉冲 或非脉冲辉光5 ，三年以后，他报道了在空气和氮气中发现了相似现象。1 9 7 6 年 d o n o h o e 6 ) 7 )在一个更大的空间上( 几个厘米) ，工作气体为氦气和乙烯的混合物， 电源是可重复脉冲电源，他获得了均匀等离子体， 在同一年里18 一叫，m i t s u b i s h i 的研究者首先利用宽度为4 - 5 c m 的介质覆盖电极之间均匀辉光等离子体实现产生 无声放电二氧化碳激光。在此实验中氮气占绝大部分比重，同时气压为6 k p a 。其 目 . . . . 卜 目.目 目 目 . . . . . . . 月 . . . .叫. . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一. . 叫月 叫 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -目 口 目 .目 . 叫曰户叫 月 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -叫 .月 月. . 月 . . i 华中科技大学博士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 介质阻挡放电的历史回顾 1 绪论 气体放电是一门古老的学科，是研究带电粒子在电磁场中运动规律及应用的科 学。其内容非常丰富，应用也极为广泛。气体放电形式多种多样，如电晕、辉光 放电、电弧、电火花、闪电等。近年来，气体放电在磁流体发电、等离子体切割、 焊接、刻蚀、镀膜以及受控热核反应等方面都得到了具体的应用。1 6 7 2 年，g w i l h e l m 首次在旋转硫磺球上发现了人工条件下的电火花，揭示了“气体放电”的 奥秘。1 8 0 2 年，彼得洛夫发现了电弧放电。1 8 8 9 年，f p a s c h e n 得到了击穿电压 u 对压力p 与板间距离d 乘积的依赖关系，并发现了击穿电压有一个最小值。早期 气体放电实验研究主要在真空中进行，在真空条件下气体很容易形成辉光放电， 1 9 0 3 年，j s b t o w n s e n d 为了解释低气压下放电现象提出了气体击穿的理论， 并于1 9 1 0 年发表了“击穿判据”等。随着气体放电实验的积累发现t o w n s e n d 放 电理论无法解释弧光以及火花等放电现象，在1 9 3 9 年，h r a e t h e r 提出了流注理论， 使气体击穿理论又向前发展了一步。 介质阻挡放电( d b d ) 是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆 盖在电极上，也可以悬挂在放电空间中，因在电极两端加上很高的交流电压，即 使在很高的气压下也可以击穿气体，通常放电中间的气体压强可达至f l l 0 5 p a 或更高， 所以这种放电属于高气压下的非热平衡放龟。由于它不像空气中的火花放电那样 会发出巨大的击穿响声，在历史上把这种放电也称为无声放电。在一个大气压下 的介质阻挡放电已经有很长历史，它可以追溯到1 8 6 0 年代的专利文献。真正系统而 细致的研究还是在近几十年。1 9 3 2 年，电气工程o i l i b u s s 注意到，在两平行板带有 介质的电极之间的空气间隙中产生大量狭窄明亮电流细丝【2 8 1 。1 9 6 8 年，b a r t n i k a s 发现对于在空间接近的两平行板且覆盖上一层介质电极中氦气放电可以产生脉冲 或非脉冲辉光，三年以后，他报道了在空气和氮气中发现了相似现象。1 9 7 6 年 d o n o h o e t 6 l 用在一个更大的空间上( 几个厘米) ，工作气体为氮气和乙烯的混合物， 电源是可重复脉冲电源，他获得了均匀等离子体，在同一年里 8 1 。f ”1 ，m i t s u b i s h i 的研究者首先利用宽度为4 5 c m 的介质覆盖电极之间均匀辉光等离子体实现产生 无声放电二氧化碳激光。在此实验中氨气占绝大部分比重，同时气压为6 k p a 。其 华中科技大学博士学位论文 间，有很多研究者在不同大气压气体下获得阻挡放电的均匀辉光等离子体，这些 气体包括：氦气、氖、氩、氮、氧气以及空气。从1 9 8 7 年开始，很多研究小组拓 展了这一领域的实验研究，其中包括：日本东京s o p j d a 大学的o k a z a k i 研究小组 ( ”1 i ”】，法国图卢兹的m a s s i n e s 及其合作者f 1 8 】_ i ”1 ，美国纳什维尔的田纳西大学r o t h 和他的研究小组】_ 【”1 。通过上述研究者的共同努力，使得介质阻挡放电从早期单 一的工业应用( 臭氧发生器) 转变成系统的实验研究。早期的介质阻挡放电是以臭氧 发生器为研究背景而展开的，所涉及也多是以丝状放电为主，当研究者逐渐脱离 以臭氧发生器为主要的研究对象后，深入到以介质阻挡放电的放电机理以及介质 阻挡放电中丝状放电以外的放电形式研究为目标，在实验中人们发现了大气压下 辉光放电的存在，随即m a s s i n e s 及其合作者对这一介质阻挡放电的机理进行了深 入研究，研究发现大气压下辉光放电是一个较为复杂的物理过程，同早期的丝状 放电在机理上有着相当大的差别，同时所表现出的物理特征也丰富多彩。实验研 究另一目的就是以应用为目标，研制各种介质阻挡发生器，以满足各种不同要求 的工业应用。这一研究使得介质阻挡放电开始广泛地应用到各个工业领域。 与物理学发展的一般规律相类似，随着介质阻挡气体放电实验研究的逐步深 入，介质阻挡气体放电的理论也相应建立起来，它的建立一方面弥补了实验研究 的不足，同时也对介质阻挡放电的认识提高到更高的层次。它与气体放电物理有 着紧密的联系，与之相关的是前面提到的早期气体放电理论中最重要的两个放电 理论，即汤生放电理论和流注放电理论。介质阻挡放电中的丝状放电形式可以在 流注放电的理论中得到较为满意的描述，早在1 9 8 1 年，g i b a l o v1 3 4 l 应用流注物理 模型来描述介质阻挡放电中的丝状放电，但是没有考虑阴极电子发射等因素，因 而模型的本身存在较大缺陷，后来他本人以及其他研究者在此基础上逐步完善这 一物理模型，其中b r a u n ( 4 0 1 用流体模型得到的理论结果与实验结果有着令人满意吻 合，他在模型中考虑了等离子体化学过程，同时给出了丝状放电等离子体参数时 空演化过程。虽然汤生放电理论是在低气压下适用的放电理论，但是与在较低场 强下发生的介质阻挡辉光放电有着相似的特征，实际上在流体方程的建立过程中 引入的电离项来源于汤生放电理论中一些基本概念。1 9 9 7 年，m a s s i n e s 和g a d r i 【l ” 应用流体方程组耦合泊松方程描述大气压下氦气辉光放电，空间一维数值模拟的 结果与实验吻合非常好，同时给出放电空间上等离子体密度与电场分布，这一分 布与低气压下辉光放电特征有着惊人的类似，由此他们指出大气压下辉光放电这 一概念的合理性。 2 华中科技大学博士学位论文 大气压下介质阻挡放电近年来受到了研究者的普遍关注，这是因为一方面有 关它的机理研究目前还没有一个较完整的结论，另外从现有的研究结果来看它具 有广泛的应用前景，这也极大地推动了介质阻挡放电本身研究的发展。 1 1 2 介质阻挡放电发生器的分类与特点 大气压下介质阻挡放电发生器主要有以下几种结构形式，典型的介质阻挡放 电和间隙结构如图1 1 所示，称之为平行板型电极发生器，以最简单结构为例，这 些电极和间隙结构可以是平面形的，也可以足同轴圆柱形的。图1 1 ( a ) 是很实用 的放电构形，它常用以制造臭氧发生器；其特点是结构简单，而且可以通过金属 电极把放电产生的热量散发掉。构型1 1 ( b ) 的特点是放电发生在两层介质之间， 可以防止放电等离子体直接与金属电极接触；对于具有腐蚀性气体或高纯度等离 子体，这种构则型具有独特的优点。第三种构型1 1 ( c ) 可以和介质两边同时生成 两种成分不同的等离子体。在电极间安插介质对以防止在放电空间形成局部火花 或弧光放电，而且能够形成通常大气压强下稳定的气体放电。 图1 2 是一种沿面介质阻挡放电发生器，电极分布在介质板上下两侧，气体放 电在电极的上方沿着介质表面产生，因此通常称之为沿面放电，它能够在介质表 面较容易产生均匀的较大面积等离子体层，早期用来产生臭氧。 图1 3 是另外一种沿面放电发生器，由于正负电极均在同一个面上，因而称 之为电极共面型沿面放电发生器，由于加工上的困难在实际应用中并不常见。 图1 - 1 典型的介质阻挡放电装置图图卜2 典型的沿面介质阻挡放电装置图 上述三种结构形式的发生器以第一种类型的发生器最为常见，同时它展示的 睁 华中科技大学博士学位论文 放电模式 翘最多，逸此它被认为憝分质嫩搂放电最骞代表性鲮发生暴，从现有的 文献来看，大多数研究者多以此为研究对象而展开介质阻挡放电盼实验与理论研 究，但是它也有缺陷，始宅不能产生较大嚣积的等离子钵层，恧后两种缨掏豹放 电发生器则能弥补这方面的缺陷。正是由于这方面的优点，沿面放电已缀日益受 到应用研究者的羹视。 强1 - 3 毫板共垂型沿蘧奔震瑕挡放患装萋图 i i 3 夯旗隘挡放魄翡研究进震篱介 乎行援型电极嬲分痰隧挡放电发生嚣髓够产生多种放电模式，其中主要有熊 状放电、髀光放电以及介于二者之间的均匀放电( 有时也称之为耦合丝状放电模 式) ，在一定条件下还有掰能产生斑图。对于每神放电模式在初始电离阶段是类似 的，当在放电电极上施加足够高的交流或脉冲电难对，使得阴极产生电子发射。 当大量的电子到达与阴极相对的介质层时，这些电子沿慧介质表面扩展开来，从 而抵消瞬时阳极上翁正电荷，同时滞留下来的离子的俸鬻，驮两使附近静电场强 度降低，使电场下降，导致 霉崩停止。僵楚每释放毫模 式过程又肖着较大的差别， 璐分嗣予以分绥。 1 1 3 1 熊状放电 丝状放电模型可以用 翻1 - 4 来搂述单个缨丝状放 电的演化过程。当高压加在 电极的两端，在阴极附近由 图l 一4 丝状艘电物理模型示意图 4 华中科技大学博士学位论文 予气嚣在憩场终髑下电褒 嚣产生魄子，东气钵被宠全毒穿之兹，这些电子在电场 中加速使能量达到或超过气体的电离能时，在每次电离磁撞中电子数日就会成储 壤魏从悉接致电子雪崩。摆比较予枣子，电子具有较强黝可漉动矬从露使电子农 可测量的纳秒级范围内穿过气体间隙。肖电子雪崩在气体间隙形成并产艇定向移 动拜寸，同时离子的移动慢面滞留在电子艏面，使德它在放电空间产生积累，空间 电荷的产坐最终使得放电空闯的空间电场产生畸变，献蕊使电极闯空气闻隙静电 场强度等于或超过周围气体的击穿场强，在很短时间内气体电离急剧增加最终导 致单个的缝状放泡的形戒。这些不同的激发和活性离予霹髭发生整复杂翡亿学爱 应。在阴极表面介质层上的电子发射通过紫外的光电发射或离予激发的二次电子 笈射得到? 更避一步静蕊强。这释穰銎蠢个隐含静条舞就蔗在奔菝上没骞裰纯惫 荷，空间电场是均匀的。 在太气压下，由于缀嵩静磋篷频率，经遂缀短豹距离一拿委在交大瓣毫予霉 崩可以产生相当w 观的电荷密度，电子和离子漂移速度的不同造成电荷分离，从 嚣莲羁部泡场在淼先毫援下褥到囊热，场强变大，在漉浚头部黪藩场强送域夔磁 摭电离导致电离区域的快速增长，从而形成了明亮的等离子体通道。可是在介质 瓣蕉藏宅孛，由予电投潮穷矮戆磐在，羧铡t 放电电滚浆塞盘增长，露i 毙篷阻止 了汲间火花或弧光放电的形成。单个丝状放电是在放电气体间隙星某一个位置上 发生我，阉靖在其德垃薰上也会产生另外驰丝状放逛。受是由于介质豹终缘性质， 这种丝状放电能够彼此独立地发嫩在很多位置上。当丝状放电耐端的电压稍小于 气体击穿电压时，电流就会截止。在冠一位置上只有当魄压重新升高到原来的击 穿电压数值时才会发生再击穿和谯原地产生第二个丝状放电。 每个出电子鬻崩产擞的丝状放电的袁径只有几十个到几百个纳米尺寸，同时 这些放电缅丝的嘏部连蓍介质表谣并在袋面产生凹起熹袋孔点。在介质发面膏获 尘或者微小的起伏都能够提高丝状放电的形成。介质阻挡放电应用在工业上其能 爨密度不能低予5 0 m w c m 3 同霹也不会离子1 w c m 3 ，这个主要惫取决予分质和物 体表面的热流量。 介质随整藏魄裙始除羧豹壶穿与澄蠢奔覆清洗下禚炭缢，爱窳最远b a b a e v a 和n a i d i s 【3 0 l 回顾的那样，这个阶段的流注在金属电极之间的演化是很有帮助的。 程给定懿上述窀缀结构祷猿下，滚注兹发震过纛霹疆逶避薅中热粒子帮喾迄鞋予 的二维动力学方程同时耦合决定电场的泊松方稷来模拟，为了检验某种假设，例 擞“禺域场近议”，逛裁楚说电予在是嚣懑场孛娥予一秘睾囊状拳，可以月m o n t e c a r l o 方法来模 篓f 上述过程。同样，简单的近似分析就像= 维数德模型汹可以得到 露关于浚注熬产生与发黢豹合理络累。 华中科技大学博士学位论文 在流注贯穿整个间隙之后，电荷在介质表面上的沉积就变成一个很重要的特 征。不同于自由流注演化那样，介质阻挡放电有一种特殊的边界条件。以介质表 面为边界的气体间隙中，不同的作者有着关于处理丝状放电的相关模型口4 卜【4 8 1 。在 这些模型中，考虑到一种反馈机制，即碰撞离子以及光子产生的次级电子进入放 电通道中去。在流注贯穿气体间隙时，高场强的阴极位降区和高离子密度区域在 纳秒级时间内建立起来。在大气压下，这样的高场强区域厚度为1 0 微米【4 0 1 4 1j h ”。 当阴极层建立的时候微放电的电流值达到峰值。随后就立即在介质表面积聚从而 使由表面电荷所确定区域的局部电场急速下降。这种介质阻挡自我抑制效应限制 了微放电在几个纳秒时间范围内，通常输运的电荷为i o o p c ，消耗的能量为1 山 ( 1 m m 间隙宽度，1 b 神。由于单个的丝状放电只有几k ，少量的能量消耗限制气 体的温度上升，而在丝状放电通道中电子能量只有几个电子伏特。丝状放电通道 中电子密度为1 0 1 4 c m 3 ，电流密度为l “1 0 0 0 a c m _ 2 1 3 q 【”l 。由公式i p = c o n s t ，通 过低气压下辉光放电值来计算大气压下的这些值“。在阴极的高场强区域，典型 的电流密度以及非平衡等离子体条件说明短暂的高气压辉光放电中微放电的特征 是正确的。 很多重要的丝状放电特性是通过l i c h t e n b e r g 图，图象转换器记录垆o f ”j ，电流 测量 3 5 1 4 0 1 4 9 】 5 3 l 【5 4 】和电荷测量【5 5 】等实验方法获得的。c o o g a n 和s a p p e y 5 6 1 通过记 录氩气、氧气、水蒸气等混合气体在3 0 8 3 1 2 n m 波长的发射光谱以及在2 8 1 9 n m 波长上的激光感应荧光，得到此介质阻挡放电的o h 根分布。而o h 根只有在瞬间 形成的1 7 0 微米直径的通道中测量。当以比较适合的o 1 w c m 2 的功率密度放电时， 有大概每c m 2 s 上1 0 6 个放电通道。当紫外线照射时，丝状放电的密度会显著增加 ( 大概有两个数量级) 。最近，电子密度? ”、原子和离子根的密度、激发粒子的浓 度以及气体的温度断】都可以用光谱技术来测量。由k o z l o v 6 7 1 6 9 】和b r a n d e n b e r g 【6 8 】等提出的用交叉关联光谱这个更有力的测量工具去测量在丝状放电通道中不同 粒子的演化过程。实验的困难之处在于难以建立一个稳定的丝状放电通道去做重 复测量。在很多情况下，脉冲实验更适合此类实验。 真f 意义上的介质阻挡放电和单个的丝状放电是相差很大的，在一个典型阻 挡放电中，单个的丝状放电要占据足够的介质表面空间去沉积电荷。同时也要遇 到前一放电阶段遗留下的电荷问题，首先通过数值方法去解决相邻丝状放电问题 的模型已经建立起来【4 7 j 。在电极表面位置丝状放电数日随着由外加电压的频率和 峰值电压以及由此而决定的功率密度增加而增加，与电压波形的形状无关。在外 部电压增加的时间，由于在介质上有丝状放电的发生，在介质表面有剩余电荷存 在使得局部电场下降，从而在新的地方有另外的微放电产生。当电压反相时紧接 6 华申科技大学博士学位论文 骜鲍丝捩敷皂在漂先教泡位置产生。当想基在这些毽鬟变小黩，在紧接麓鳇魄聪 位相相戚半个周期内，就需要较小的外部电压能达到赢穿场强。因此商压低频的 救邀导数丝牧放电在整个奔震寝溪进行，嚣低频瘫压导致每半个周期中重新点燃 剐放电避的微放电通道。这个效应是由于电荷在介质表瑟积累遮成的，这是介质 隧挡放电中一个主要的特征。如果重复频率足够离的话，由予测余气体的加热期 靛睾厨端籍余靛带电粒子耪活搜粒子的存在，可能还健樽放电巾存在记能效虞。 在较大一个参数范稠内，单个丝状放电特性与外加电压是独立的，但当电援 黪上爵孵淹嚣常短，戳歪子穰多建袄蒇瞧露辩液毫辩上述黥藩论密裁誉霉或立。 这样也可能会露致另外一种情况就是介质中对沉积电荷面言晤经没材足够的空 滴。莰蠛捷速上舞戆整援稼洚爵麓导致藏毫时，蓬蠢漆定静蠢穷毫垂缀多。斑藏 会使在击穿的时候电子能量会聪高。大避丝状放电的同时存在会使发光加强从丽 遴一多彩翡薮惫避霞剡f 穗。 有必丝状放电详细的实验与理论研究方法以及研究鳍果将柱第二避和第三避 骰奔绥，建论上最重要敬跫寿关流注蔽憩龚论在丝蔌敖奄孛懿疯建。 1 1 i3 1 辉光放电 实验已经反复证羁猩丈气舔下产童介质隘摧放电的气体闻敝宽度蒜至可戳达 委几个篷拳。o k a z a k i 利用5 0 h z 的正弦交流电聪，使髑两片金属薄片凝盖上一片 特殊盒糯鼹，爵糟薄的陶瓷片斌者聚滕薄膜作簿介质n 哪7 梅戚典型平行板电辍墅 放电结构，从礴实现了大气压下的氮气、氩气、空气、辍气和飘气产生均匀的辉 光放毫。逮些实验已经被缀多幂蔺研究，j 、缀重复遥，实验结果鼹骧天戆攘似潜 i 蛳。 m a s s i n e s l 8 1 - 2 2 1 以及g h e r a r d i t 2 3 】则用一维模型或糟实验结果来研究这种均匀放 靓模 式兹橇骥。露为独立遣獗究这蕨毫澎式静霹巍参缰r o t h 辩提窭蘑一个大气愿下 辉光放电等离子体( o a u g d p ) 来命粥，并且发现了缎多不同的工业成用【2 4 m 7 1 1 t s r l - l s g l 。藤意藏电毒鎏在嶷凌窥麓莼土褥戮薪斡斑薅e 9 0 1 - 9 3 t 。在莰多发表鼹文章中撼 每半个阁期中的单个电流峰或者是单步电荷测髓作为种辉光放电来说明。但是 雀斑蚕羧分委羧整蓑邀孛能够给连褪骰黪亳滚瞧嚣将征。 大约7 0 年以前，德阑研究者就发现张金属电极之间姻大气藤下辉光敝电【9 3 h 州l 。 在旱麓熬燕气昶鬣气瓷气丞下毒穿实验可以震测戮孛阕媒质豹类辉光教电 l 媚 0 7 1 ，当研究猩氮气、或氮气，= 氧化磷，氢气、以及激发形成的气体混合气中的 激发大气压激光器射，上述豹研定裁变褥缎重辫。遁过x 射线、紫辨射线、憩予 柬等思够静预电离技术有助予形成璃匀的辉光芸楚可鞋搜辉光时阊延长掰 l l a s t l 0 2 1 1 0 6 1 ，p a l m e r t 哪、l e v a t e r 和l i n 1 l ，f l 】发现要形成辉光放电必须要有最小 7 华中科技大学博士学位论文 戆镪熬逛子密度。要产象大嚣积稳定均匀耀走放电豹一个要求鹱是颈奄离豹奄予 密度大到可以使彻始雪崩头能够互相重鼹合并同时也使切向的窝间电荷电场梯度 变褥比较缓积。 1 9 9 7 年，b r e n n i n gi i m 瞎人推导得到了获得均匀高气压脉冲菊崩放电的更详细 祭 孛。锻们指出最小预惫离率在海穿之蘸双及毒穿时的霪要性。在击穿时最重器 过程是电离率( 包括一次= 次电离和所有的附着以及分离过程) 。媛重要的气体特性 是有效约化电懑系数。l 。n ，或者熨精确的说是窍关场强对它的偏微分 a ( 。口n ) 0 ( e n ) 。这个值决定予扩散流注通道的半径删【3 9 】。谯纯氦气中击穿时， 0 ( 程。n ) b ( e 妁有个极小毽。这个就会导致耀巍大兹流注直径，从两馒得漉注之 间相互熏叠相比其他气体就更容易形成弥散均匀的放电。电离效应强烈的受