寇倩 刘伟波 武洪雨

摘 要：斑图放电是介质阻挡放电系统中出现的一种典型非线性放电现象。文章采用特殊设计的氧化铟锡（ITO）电极装置，在空气和氩气的混合气体中通过介质阻挡放电得到了两种典型的斑图形式：超四边形斑图和条纹斑图。利用示波器获得了两种斑图的电流电压波形图，并分析了各自的放电特性。

关键词：介质阻挡放电；非线性斑图；放电电极；放电特性

中图分类号：O461 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0037-02

Abstract： Pattern discharge is a typical nonlinear discharge phenomenon in dielectric barrier discharge （DBD） system. using a specially designed indium tin oxide （ITO） electrode device， two typical patterns， hyperquadrilateral pattern and stripe pattern， were obtained by dielectric barrier discharge （DBD） in the mixture of air and argon gas. The current and voltage waveforms of the two patterns are obtained by means of oscilloscope， and the discharge characteristics of the two patterns are analyzed.

Keywords： dielectric barrier discharge； nonlinear pattern； discharge electrode； discharge characteristics

1 概述

介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡气体放电[1]，它除了在工业中应用广泛外（比如应用在臭氧制备、聚合物表面改性、杀菌消毒、污染控制等领域），还作为一种典型的非线性动力学系统，存在着丰富的时空非线性行为[2]。当外加交流电压足够高时，电极间的气体即可被击穿，产生无数条微放电通道，从而形成放电。如果放电通道经过自组织形成具有一定规律的几何图形，即被称为斑图放电。斑图放电属于典型的非线性行为。

由于介质阻挡放电系统中产生的斑图类型多，而且斑图本身能够发光，可以通过电学方法和光学方法方便的研究斑图的性质，因此介质阻挡放电系统是当前研究非线性斑图现象最为热门的系统。研究斑图放电现象需要用到透明的放电电极，国内的董丽芳小组采用水电极，观察到了四边形、六边形、圆环等不同形状的斑图放电类型，并利用各种电学光学手段，研究了斑图的放电特性和非线性特征[3][4]。本文中我们将采用特殊设计的氧化铟锡（ITO）电极，在介质阻挡放电系统中产生斑图，并利用示波器分析它的放电特征。

2 实验系统

2.1 ITO电极设计

放电电极是介质阻挡放电系统中的核心部分。由于要透过放电电极观测并研究放电斑图的样貌及性质，需要使两个放电电极中的至少一个为透明，并允许发光斑图发出的光能够大部分透过。图1给出了我们设计的ITO电极的结构示意图，包括上电极、上层介质板、下层介质板、下电极。其中上电极采用厚度为0.5mm、边长为60mm的透明的正方形ITO导电膜，上层介质板采用厚度为1.5mm、边长为60mm的正方形石英玻璃板，下层介质板采用厚度为2mm、边长为60mm的正方形石英玻璃板，下电极采用厚度为1mm、边长为40mm的正方形铜片。上电极沉积在上层介质板上，下层介质板与下电极之间通过硅胶粘连在一起，上层介质板与下层介质板之间留有缝隙作为放电区域。上层介质板和下层介质板平行放置，其间距可以进行调节。由于上电极及上层介质板都采用透明的材料设计，能够在上电极的上方方便的观测产生的发光斑图，因此该设计可以利用光学方法方便的研究所产生发光斑图的性质。

2.2 实验系统图

实验系统主要包括ITO电极、密闭的反应容器、高压电源、示波器和数码相机，如图2所示。ITO电极放于有机玻璃制成的密闭反应容器中，可以在密闭容器中实现对气压、气体含量等实验条件的调节和改变。当高压电源的电压升高到一定值时，放电可以在图中的放电区域内发生。由于ITO电极及反应容器都是透明的，介质阻挡放电发出的光可以透射出来，其放电照片可以通过数码相机获得。示波器用来获得放电的电流电压波形图。

3 实验现象及讨论

由于斑图是一种典型的非线性现象，它的产生及转化与实验条件密切相关[5]。通过改变放电条件，可以实现不同种类的斑图放电形式。文中给出了两种典型的斑图：超四边形斑图和条纹斑图，并简单分析各自的放电特性。

3.1 超四边形斑图

超四边形斑图是由大点和小点构成的两套四边形子结构相互嵌套而成的超点阵斑图形式。当放电条件为：上层介质板和下层介质板间距为2mm，放电区域为边长25mm的正方形，放电气体为氩气和空气混合气体，其中氩气含量为97%，气体压强为1atm，高压交流电源电压值为5.1kV，放电频率为52kHz，可产生超四边形斑图。图3给出了超四边形斑图的放电照片及用示波器测量出的电流电压波形图。可以发现，一个电压半周期（即对应电压脉冲图中的半个周期）中有2个明显的电流脉冲，还有一些包络。进一步观察可以发现，其中1个电流脉冲和包络出现在电压的上升沿，另1个电流脉冲出现在电压下降沿。

3.2 条纹斑图

当放电条件为：上层介质板和下层介质板间距为1.8mm，放电区域为边长30mm的正方形，放电气体为氩气和空气混合气体，其中氩气含量为95%，气体压强为0.8atm，高压交流电源电压值为4.9kV，放电频率为53.5kHz，可产生条纹状的斑图。图4是条纹斑图的放电照片及用示波器测量出的对应的电流电压波形图。可以发现，一个电压半周期中会出现3个明显的电流脉冲，其中2个出现在电压上升沿（前面1个电流强度大，后面1个电流强度小），另外1个出现在电压下降沿。

4 结束语

本文设计了基于ITO电极的介质阻挡放电装置，在空气和氩气的混合气体中通过气体放电得到了两种典型的斑图形式：超四边形斑图和条纹斑图。并利用示波器分析了斑图的基本放电特性。研究结果对理解介质阻挡放电系统的非线性特点，揭示斑图的非线性规律都有一定的意义。

参考文献：

[1]王新新.介质阻挡放电及其应用[J].高电压技术，2009，35（01）：1-11.

[2]张佼.大气压介质阻挡放电中的时空非线性行为模拟研究[D].大连理工大学，2014.

[3]刘伟波，董丽芳.介质阻挡放电中同心圆环斑图的产生机理[J].物理学报，2015，64（24）：266-272.

[4]董麗芳，张新普，张超，等.采用高速照相机研究介质阻挡放电超四边形斑图的时空结构[J].高电压技术，2014，40（04）：1229-1234.

[5]欧阳颀.非线性科学与斑图动力学导论（第一版）[M].北京：北京大学出版社，2010.