介质阻挡放电中体放电和沿面放电的光谱线形研究

１ １］ ，分别介绍了 Ｖ 等研究了介质阻挡放电和臭氧的合成 ［ Ｄ和 ［ １ ０］
Ｓ Ｄ 中的电荷转移 ，并 讨 论 了 介 质 阻 挡 放 电 中 电 场 强 度 分 布 和能量密度 对 生 产 效 率 和 臭 氧 合 成 的 影 响 。Ｋ ｏ ｅ ｌ ｓ ｃ ｈ ａ ｔ ｚ等 ｇ
［２］ ，分 别 介 绍 了 它 们 各 自 报道了 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 的各种放电 现 象 １
引 言
［ １， ２］ （ 简称 Ｄ 是一种典型的非平衡态交 Ｂ Ｄ） 介质阻挡放电 流气体放电 ，其 具 有 装 置 简 单 、成 本 低 及 操 作 便 捷 等 特 点 ，
１ 实验部分
Ｔ ｅ ｋ 实验装置 主 要 由 高 压 电 源 、水 电 极 、数 字 示 波 器 （ ） 、 （ ） （ 高 速 照 相 机 及 光 谱 仪 ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｘＤ Ｐ Ｏ ４ １ ０ ４ Ｂ Ｈ Ｓ Ｆ Ｃｐ ｒ ｏ Ａ Ｃ 等 组 成 ，如 图 １ 所 示 。两 个 装 Ｔ ＯＮ Ａ Ｄ ＶＡＮ Ｃ Ｅ ＤＳ Ｐ２ ７ ５ ０ Ａ） 满水的内径为 ７ ０ ｍｍ 的 圆 柱 形 容 器 作 为 水 电 极 ，每 个 水 电 极分别通过一金属 圈 连 接 到 频 率 为 ６ ０ｋ Ｈ ｚ 的 高 压 电 源 。电 极的两端用厚度为 １ ． ５ ｍｍ 的 玻 璃 密 封 ，并 作 为 介 质 层 ，层 间放一块间隙 犱 可调的框架 。将上述放电装置放 于 充 满 含 量 。电 为９ ９ ． ９％ 氩气的反应室中 ，气压变化范围是 ４ ０～６ ０ｋ Ｐ ａ
在臭氧合成 、灭菌消毒 、污染物控制 、蚀 刻 、材 料 表 面 改 性 、
３ ９］ 紫外光源以及等离 子 体 显 示 器 等 工 业 领 域 ［ 得到了广泛应
用 。介质阻挡放电的放电形式可分为二种 ：体放电 （ 和沿 Ｖ Ｄ） 。由于介质阻挡放电特性决定着工业生产应用效 面放电 （ Ｓ Ｄ） 率 ，因此 ，对它们的研 究 已 成 为 近 些 年 的 热 点 。徐 学 基 等 研 ，分 别 讨 论 了 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 中的电荷转移和微放电对介质阻挡 放 电 性 能 的 影 响 。 Ｐ ｉ ｅ ｔ ｓ ｃ ｈ 究了介质阻挡放电 的 性 能 与 应 用
２ ０ １ ３ ０ ４ ２ ６，修订日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ６ ２ ８ 收稿日期 ： ） ，教育部博士点基金项目 （ ） ，河北省科技厅重 点 项 目 （ ，河 北 省 教 １ １ １ ７ ５ ０ ５ ４ ２ ０ １ ０ １ ３ ０ １ １ １ ０ ０ ０ １ １ １ ９ ６ ７ １ ３ ５ Ｄ） 基金项目 ：国家自然科学基金项目 （ ） 育厅重点项目 （ 资助 Ｚ Ｄ ２ ０ １ ０ １ ４ ０ ： １ ９ ６ ３ 年生 ，河北大学物理科学与技术学院教授 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｄ ｏ ｎ ｌ ｆ ａ ｉ ｌ ． ｈ ｂ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 作者简介 ：董丽芳 ，女 ， ＠ｍ ｇ
犉 犻 ５ 犜 犺 犲狑 犻 犱 狋 犺狅 犳犃 狉 Ⅰ（ ２ 犘 １ 犛 狊 犲 犮 狋 狉 犪 犾 犾 犻 狀 犲狅 犳 ２→ ５） 犵 狆 犞 犇犪 狀 犱犛 犇犪 狊犪犳 狌 狀 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲犵 犪 狊狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲
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光谱学与光谱分析 第 ３ ４卷 放电条件 ，实验测量了 犱 值从 ３ ． ８ｍｍ 增大到 ４ ． ４ｍｍ 时 Ｖ Ｄ 和Ｓ Ｄ的 Ａ ｒ Ⅰ 谱线展宽 ，如图 ７ 所示 。从图中 可 以 看 出 ，随 着 犱 值的增大 ， Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 的谱线展宽均增加 ，反映二者的电 子密度均随 犱 值的增大而升高 。
放电丝自组织形成 的 各 种 结 构 。但 以 上 对 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 放电性 能的研究均是分开 的 ，没 有 同 时 对 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 放电性能进行 深入的研究与对比 。针对于此 ，本 工 作 利 用 双 水 电 极 介 质 阻 挡放电装置 ，同时实现了 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ，首次研究比较了 Ｖ Ｄ和 Ｓ Ｄ 的光谱线形随 放 电 参 数 的 变 化 。对 深 入 研 究 同 一 系 统 中 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 的放电性能及其在工业领域的应用具有重要意义 。 犉 犻 １ 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 狉 犪 犿狅 犳 狋 犺 犲 犲 狓 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 狊 犲 狋 狌 犵 犵 狆 狆
第 ２ 期 光谱学与光谱分析 压由高压探头测量 ，并由数字 示 波 器 采 集 和 存 储 。高 速 照 像 机用于拍摄放电的瞬时图 像 。放 电 发 出 的 光 经 焦 距 为 １ ０ｃ ｍ 透镜会聚后 ，利 用 两 个 光 纤 探 头 将 不 同 位 置 的 光 导 入 光 谱 仪 ，并由 Ｐ Ｃ 采集和存储 。
犉 犻 ４ 犜 犺 犲狏 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲狆 狉 狅 犳 犻 犾 犲狅 犳犃 狉 Ⅰ（ ２ 犘 １ 犛 ２→ ５） 犵 狊 犲 犮 狋 狉 犪 犾 犾 犻 狀 犲狅 犳犛 犇犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犪 狊狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲 狆 犵 Ｄ和Ｓ Ｄ 的谱线 展 宽 和 频 移 进 行 了 测 量 和 分 进一步对 Ｖ 析 。图 ５ 给 出 了 Ｖ 和 Ｄ Ｓ Ｄ 的 谱 线 展 宽 随 压 强 的 变 化 。从 图 中可以看出 ：在同一压强下 ， Ｓ Ｄ 的谱线展宽大于 Ｖ Ｄ 的谱线 展宽 ；Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 的谱线展宽均随压强的增大而增加 。 众所周知 ，等离子体中谱线 的 展 宽 与 电 子 密 度 有 关 。非 氢原子谱线的 Ｓ ｔ ａ ｒ ｋ 展宽 ω ｔ 与电子密度 犖 ｅ 之间的关系式为
３ ０ ９
０ ０Ｇ·ｍｍ－１ 光栅 ，利用光谱仪的两 个 选择光谱仪的 ２４ 光纤探头 ，在 ６ ９ ３～７ ０ ０ｎ ｍ 的范围内同时采集了 Ｖ Ｄ和Ｓ Ｄ 的Ａ 谱 线 ，如 图 ３ 所 示 。从 图 中 可 以 看 出 ， ｒⅠ（ ２ 犘２ →１ 犛 ５） Ｖ Ｄ 的谱线强度明显高于 Ｓ Ｄ 的谱线强度 。 Ｄ和Ｓ Ｄ的 Ａ ｒＩ谱 线 随 压 强 的 变 化 ， 实验同时研究 了 Ｖ 发现二者变化规律相 似 ，为 简 单 起 见 ，图 ４ 仅 给 出 了 Ｓ Ｄ的 低气压１ Ａ ｒ Ⅰ 谱线随压强的变化 。由图可见 ，与参考 谱 线 （ ０ 相比 ，随着压强的增大 ，谱线 Ｐ ａ 左右氩气放电的 Ａ ｒ Ⅰ 谱线 ） 均向长波方向移 动 。仔 细 观 察 发 现 ，谱 线 的 左 支 基 本 重 合 ， 而右支随压强的增大向长波方向移动 。
第３ 第２期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ４卷 ， ２０１４ 年 ２ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
３ ０ ８ ３ １ １ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４， Ｎ ｏ ． ２， ｐ ｐ ， Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ２ ０ １ ４ ｙ
犉 犻 ２ 犜 犺 犲狏 狅 犾 狌 犿 犲犱 犻 狊 犮 犺 犪 狉 犲（ 犞 犇） 犪 狀 犱 狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲犱 犻 狊 犮 犺 犪 狉 犲（ 犛 犇） 犵 犵 犵 狅 犫 狊 犲 狉 狏 犲 犱 犻 狀犇 犅 犇狌 狀 犱 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳 狆 ， ， 犝 ＝３ ２犽 犞， ０犽 犎 狕 ０犽 犘 犪 犱＝３ ８ 犿犿， 犳＝６ 狆＝６ 犪 狀 犱χ＝９ ９ ９％ 犃狉 犲 狉 犲 狊 犲 狀 狋 狊犞 犇犪 狀 犱犅狉 犲 狉 犲 狊 犲 狀 狋 狊 犛 犇 狆 狆 狊 犜 犺 犲 犲 狓 狅 狊 狌 狉 犲 狋 犻 犿 犲狅 犳 狋 犺 犲狆 犺 狅 狋 狅 狉 犪 犺 犻 狊８ ３μ 狆 犵 狆
依据图 ５ 可以得到 ： Ｓ Ｄ 的电子密度高于 Ｖ Ｄ 的电子密度 ，且 二者的电子密度均随压强的升高而增大 。
犉 犻 ３ 犜 犺 犲犃 狉 Ⅰ（ ２ 犘 １ 犛 狊 犲 犮 狋 狉 犪 犾 犾 犻 狀 犲 狊狅 犳犞 犇 ２→ ５） 犵 狆 犪 狀 犱犛 犇犪 狋 狋 犺 犲 狊 犪 犿 犲犲 狓 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 狆
２ 结果与讨论
在放电间隙较 大 的 介 质 阻 挡 放 电 中 ，利 用 高 速 照 相 机 ， ，拍 摄 到 放 电 的 将曝光时间设定为外加电压的半周期 ８ ． ３μ ｓ 瞬时图 像 ，如 图 ２ 所 示 。观 察 发 现 ，放 电 由 两 部 分 组 成 ：体 。Ｖ 和沿 面 放 电（ 放电 （ Ｖ Ｄ） Ｓ Ｄ） Ｄ 是极板两端的电压达到击 穿阈值时 ，两极板之间贯穿形 成 的 ，在 端 面 表 现 为 一 个 明 亮 的点 ，在图中记作 Ａ。 Ｓ Ｄ 是在 Ｖ Ｄ 的附近 ，沿 极 板 平 面 呈 枝 状向四周扩散而形成的 。与 Ｖ Ｄ 相比 ， Ｓ Ｄ 的 光 较 弱 ，在 图 中 记作 Ｂ。众所周知 ，体 放 电 和 沿 面 放 电 的 物 理 机 制 不 同 ，因 而其等离子体状态 应 不 同 ，为 此 ，采 用 光 谱 法 ，同 时 采 集 了 和Ｓ 的Ａ Ｖ Ｄ（ Ａ） Ｄ（ Ｂ） ｒ Ⅰ 谱线 ，研 究 了 其 光 谱 线 形 随 放 电 参 数的变化 。
介质阻挡放电中体放电和沿面放电的光谱线形研究
董丽芳 ，赵龙虎 ，王永杰 ，高烨楠
河北大学物理科学与技术学院 ，河北 保定 ０ ７ １ ０ ０ ２
摘 要 在放电 间 隙 较 大 的 介 质 阻 挡 放 电 中 ，利 用 高 速 照 相 机 ，同 时 观 察 到 了 体 放 电 （ 和沿面放电 Ｖ Ｄ） （ ） 。 ， 。 ， 采用光谱法 研究了 和 的光谱线形随放 电 参 数 的 变 化 在 氩 气 介 质 阻 挡 放 电 中 测量了 Ｖ Ｓ Ｄ Ｖ Ｄ Ｓ Ｄ Ｄ 和Ｓ 谱线展宽和频移随气压及放电间隙的变化 。结果发现 ： Ｄ的 Ａ ｒⅠ（ ２ 犘２ →１ 犛 Ｓ Ｄ 的展宽和 频 移 均 比 Ｖ Ｄ ５） ，Ｖ 的大 ，说明 Ｓ Ｄ 的电子密度高于 Ｖ Ｄ 的 电 子 密 度 ；随 着 压 强 从 ４ ０ｋ Ｐ ａ增 大 到 ６ ０ｋ Ｐ ａ Ｄ和Ｓ Ｄ 的谱线展宽 及频移均增加 ，表明它们的电子密度均随压强 的 增 大 而 升 高 ；随 着 犱 值 从 ３ ． ８ ｍｍ 增 大 到 ４ ． ４ ｍｍ，Ｖ Ｄ和 Ｓ Ｄ 的谱线展宽也增加 ，反映它们的电子密度均随 犱 值的增大而增加 。 关键词 介质阻挡放电 ；体放电 ；沿面放电 ；谱线展宽 ；谱线频移 ： ／ （ ） 中图分类号 ： Ｏ ４ ６ １ ． ２； Ｏ ４ ３ ３ ． ４ 文献标识码 ：Ａ 犇 犗 犐 １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ２ ０ １ ４ ０ ２ ０ ３ ０ ８ ０ ４ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ０ ５ ９ ３ ｊ