大气压介质阻挡放电中高占空比微秒脉宽放电电流形成机理实验研究

An atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) is one of the methods in producing the non-equilibrium plasma. The current research on the discharge characteristics have been gotten great progress, especially on the atmospheric pressure glow discharge (APGD), but the mechanism of glow discharge is still not understood clearly. In this project, the optical and electrical measurements, the characterization and analysis of materials, and the shallow potential well characteristic measurements at the dielectric surface, are used to investigate the formation mechanism of the discharge currents with high duty cycle and microsecond pulse width in the dielectric barrier discharges at atmospheric pressure. The obtained dielectrics with the different surface characteristics by the ion injection technology are analyzed about the shallow potential well characteristics at the dielectric surface. Through the investigations of the influence of the surface characteristics on the discharge currents combined with the characterization and analysis of materials, the relationship of macroscopic parameters including the power type, etc, and microscopic parameters including active particale such as oxygen atom, etc and surface morphology of materials, is established. And it is combined with the investigation of the producing methods and the injected ways for the seed electrons, and the photoelectric characteristics of plasma, in order to seek the formation mechanism of the discharge currents with high duty cycle and microsecond pulse width, and explore the controllability of the electron density in the DBD, and establish the groundwork for understanding deeply the formation essence of the APGD, and supply the reliable scientific basis for expanding its application.

大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是产生非平衡等离子体方式之一。目前对这种放电特性研究已经取得很大进展，特别是对大气压辉光放电(Atmospheric Pressure Glow Discharge，APGD)研究，但其辉光放电机理仍没有完全搞清楚。本项目采用光学和电学测量并结合材料表征与分析以及介质表面浅位阱特性测试，对大气压DBD中高占空比微秒脉宽放电电流形成机理进行实验研究。通过离子注入技术获得不同表面特性的介质，分析介质表面浅位阱特性对放电电流影响，结合材料表征与分析，建立电源类型等宏观参数与氧原子等活性粒子、材料表面形貌等微观参数之间关系，再通过对种子电子产生和注入方式及等离子体光电特性研究，寻求高占空比微秒脉宽放电电流形成机理，探索DBD电子密度可控性，为深入认识APGD形成本质奠定基础，并为拓展其应用提供切实可靠的科学依据。

近些年DBD-APGD研究取得很大发展，从半周期内仅有一个电流脉冲并且脉冲宽度大于微秒，发展到多个电流脉冲，但其放电机理仍没有完全搞清楚。为进一步促进APGD机理研究和拓展应用。因此，本工作主要针对大气压大气压DBD高占空比微秒脉宽放电电流产生机理展开研究，并取得一些重要结果。总结如下：. 在半导体火花塞与ITO玻璃构成的大气压DBD系统中产生微秒脉宽的放电电流，实现了单个微秒脉宽放电电流的放电，放电起始于外加电压峰值的左侧；输运电荷也比常规DBD（几百纳库仑）高出3-4个数量级，击穿电压不足1 kV；单个放电电流脉宽达到了34-35 μS，在一个周期内，占空比达到了69%。当交换电极位置时，出现间歇性放电，单个电流脉宽也有7-8 μS，约15%放电占空比。. 共面DBD两套电极系统中，在一定条件下，上游放电产生的等离子体对下游的放电电流的脉宽产生很大影响，形成很高的占空比。当交换高压电极和接地电极、调节放电间距和两套电极间距，均对放电电流产生一定的影响。. 在同轴针筒式大气压DBD中，不仅电压和氩气流量对产生微秒脉宽的放电电流波形有很大影响，而且管壁温度也是一个关键因素。初步计算电子密度数量级为10^15 cm^-3。在氩气中掺有一定量氢气，也能形成较大微秒脉宽的放电电流。正半周期形成一个较宽电流信号，其脉宽30 μS，占空比达到60%；负半周期形成一个较窄电流信号，其脉宽也有5 μS之多，占空比达到10%。电压升高时，正半周期一个电流脉宽变大；负半周期脉冲数目增加，幅值变小。. 气体流量对电流脉宽和个数均产生很大影响，同时观测到射流长度超过了11 cm。在不同氦气流速下，射流的长度发生变化，但在不同区域等离子体发光亮度不同，呈现明暗交替变化。在氩气等离子体射流下游利用PMT测量出更宽脉冲的多个的光电流信号。在等离子体射流区域，一方面由于等离子体运动导致光电流的脉冲开始时间滞后一点儿，另一方面在下半周出现一个脉宽约40 μS脉冲信号，与相对应的放电电流则是强度不大且规则。这可能是由于运动中等离子体产生光离化所致。