DBD介质阻挡放电的演变过程浅析

通过在一个电流脉冲期间，对气隙侧面放电图像的研究，可以对DBD介质阻挡放电的演变过程有一了解。下图所示为大气压氦气介质阻挡均匀放电的一个电流脉冲期间连续拍摄的六幅曝光时间均为20ns的放电图像。若以电流脉冲峰值时刻为时间参考点t=0，则图a-f的拍摄时刻分别为-460ns、-260ns、-140ns、-60ns、0和80ns。

上图反映出，在放电初期，靠近阳极处有一个非常微弱的发光层，而伴随着放电的进行，该亮层逐渐扩展到整个间隙，并且逐渐在靠近阴极的区域形成一个明亮的发光层。这种气隙中放电光强分布的演变过程代表着放电模式的演化过程。当对上图中各放电图像分别横向求均值，得到气隙中放电光强沿轴向的分布，如下图所示，由此便可展开对放电模式演变过程的分析。

1.放电从汤生放电开始

放电前气隙中电场可以近似为均匀电场。在放电起始阶段，放电很弱致使空间电荷场可忽略不计，气隙中电场仍保持均匀分布。气体中电子的平均自由行程反比于气体分子的数密度N，电子的平均动能与约化电场E/N成正比。当气隙中气体密度和电场都是均匀分布时，气隙中各处电子的平均动能是相同的，这也意味着气隙中各处电子的碰撞激发能力相同。因此，气隙中电子越多的地方发光越强，即放电光强分布I(x)正比于电子密度分布ne(x)。在均匀电场中的汤生放电，电子密度可以用如下公式来表示：

其中，x是与阴极的距离；n0是从阴极出发的电子密度。可见，随着与阴极距离的增大，气隙中放电发光强度将指数增大，并在靠近阳极处达到最强。这种汤生放电的光强分布正是我们在侧面放电图像中所看到的。

2.放电从汤生放电向辉光放电过渡

通过比较光强分布图中曲线a和b右侧光强峰值位置，即侧面放电图像中a和b的阳极区亮层位置，我们发现该亮层以2.2mm/μs的速度向阴极方向移动，它用200ns时间移动了大约0.44mm。随着亮层逐渐向阴极移动，发光区域不断扩展，并逐渐充满了整个气隙中央区域，见光强分布图中的曲线c。随着放电的进行，正离子团更接近阴极，最终在它和阴极之间形成一个强电场区，即所谓的阴极位降区。

如光强分布图中的曲线d所示，我们在靠近阴极处看到了一个明亮的发光层。如果仔细观察放电图像，尤其是光强分布图中的曲线f，我们可以看到气隙中光强从上到下呈现明暗相间的分层结构：最上面是靠近阳极的暗层，然后是相对亮层，接着又是一个暗层，最下面是靠近阴极的明亮层。这种明暗相间的分层光强分布是辉光放电的典型特征，这些层分别是阳极暗区、等离子体正柱区、法拉第暗区、负辉光区。因此，这表明放电已经从汤生放电过渡到了辉光放电阶段。

3.放电停止在亚正常辉光放电

侧面放电图的d~f图像中在靠近阴极处都存在一个明亮的发光层——负辉光区，它们对应光强分布图中曲线d~f左侧的尖峰，我们将此尖峰称为负辉光峰。负辉光峰的位置减小到0.4mm后就几乎不再减小了，这意味着阴极位降区长度dc大约为0.4mm，远大于正常辉光放电对应的阴极位降区长度。

因此，放电并没有充分发展到正常辉光放电，而是停止在亚正常辉光放电。其原因在于：在DBD中，放电电流对阻挡介质充电，使得介质上电压迅速升高，气隙电压随之迅速下降直至不足以维持放电，放电熄灭。阻挡介质的存在，使得放电仅发展到亚正常辉光放电阶段就熄灭了。

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