介质阻挡放电系统(DBD) 作为一个典型的非平衡气体放电系统, 不仅在工业生产如低温等离子体生产和发光等方面被广泛应用, 而且该系统表现出的非线性现象、 自组织现象也吸引人们的关注。 DBD系统中放电丝的等离子体参量受诸多因素影响, 为了探究DBD系统的放电条件对等离子体参量的影响, 该实验重新设计放电单元以保证在其他实验条件相同的情况下, 对放电气隙间距和气体组分与等离子体参数之间的关系展开研究。 本实验的放电单元为一个平板型玻璃框架气隙, 该气隙由三个厚度均为1.2 mm, 放电区域边长分别为40, 30和20 mm的正方形玻璃框架复合而成, 因此该放电气隙有三个放电区域, 将此复合气隙放置于可调节气体成分和压强的真空室内, 可以同时产生三种放电气隙间距分别为1.2, 2.4和3.6 mm的等离子体放电丝。 高速录像机拍摄的瞬时照片表明三种放电丝均为随机放电丝, 即其放电类型均为流光放电。 在垂直于放电气隙平面的方向设置光路, 使用聚焦透镜获得清晰的成像, 移动光纤探头实现空间分辨并采集数据。 实验用光谱仪采集三种等离子体的氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πu) 谱线, 根据谱线强度计算得到各类放电丝的分子振动温度; 利用谱线中包含的氮分子离子N+2第一负带系谱线(391.4 nm)和氮分子第二正带系394.1 nm谱线强度的比值反应放电丝中电子平均能量; 改变气室内氩气的含量, 得到了三种等离子体的分子振动温度和电子平均能量的变化趋势。 实验结果表明: 在氩气含量0%~60%区间内, 随着氩气含量的增加, 三种等离子体的分子振动温度均先升高后降低, 整体趋势表现为相同氩气含量下放电气隙间距越小分子振动温度越高, 即1.2 mm气隙厚度中的放电丝的分子振动温度最高, 2.4 mm气隙厚度次之, 3.6 mm气隙厚度的最低; 随氩气含量的增加放电丝的平均电子能量先升高后降低, 氩气含量相同时气隙厚度越小的放电丝的电子平均能量越高, 即1.2 mm气隙厚度中放电丝的电子平均能量最高, 2.4 mm气隙厚度的次之, 3.6 mm气隙厚度中的最低。 实验结果对于研究DBD系统中等离子体参量、 工业生产等方面具有重要的参考意义。

采用H型放电间隙的介质阻挡放电装置, 在氩气和空气的混合气体中, 得到了三种新颖的等离子体发光斑图。 较于传统获得的斑图, 这三种发光斑图是产生在单层气隙与双层气隙结合的气隙装置之中。 通过相机拍摄到的斑图照片, 可以发现单层气隙和双层气隙中微放电通道呈现的发光亮度、 颜色、 放电面积等状态有所不同, 这表明微放电通道所处的等离子体状态可能各不相同。 通过分析这三种等离子体发光斑图, 利用发射光谱法首次研究了单层气隙和双层气隙内微放电通道的等离子体参量。 实验通过采集氮分子第二正带系（C3Πu→B3Πg）的发射谱线计算了单层气隙和双层气隙内微放电丝的分子振动温度, 并进一步利用氩原子696.57 nm（2P2→1S5）谱线的展宽分析了单层气隙和双层气隙内微放电丝的电子密度。 结果发现: 在左右相同厚度的双层气隙中, 耦合微放电丝的分子振动温度基本相同, 电子密度也趋于一致, 单层气隙内微放电丝的分子振动温度要高于双层气隙内微放电丝, 电子密度则小于双层气隙内微放电丝。 单层气隙和双层气隙中不同微放电通道等离子体状态的差异性使之形成多种折射率的等离子体光子晶体, 其周期性排布将具有更加丰富的带隙结构。

采用发射光谱法, 研究了水电极介质阻挡放电中具有相同对称性的3种不同结构的六边形斑图演化过程的光谱特性。实验结果表明, 随着外加电压的增加, 放电首先形成六边形点阵斑图, 然后是空心六边形斑图, 最后是蜂窝六边形斑图。利用氩原子696.5 nm(2P2→1S5)谱线的展宽、氩原子763.2 nm(2P6→1S5)与772.1 nm(2P2→1S3)两条谱线强度比法和氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线, 研究上述3种斑图的电子密度、电子激发温度及分子振动温度。结果发现, 随着外加电压的升高, 六边形点阵斑图、空心六边形斑图和蜂窝六边形斑图的电子密度逐渐减小, 而电子激发温度和分子振动温度逐渐增加。等离子体状态的改变直接影响着斑图的自组织。

采用发射光谱法, 研究了具有三层介质的介质阻挡放电中不同厚度气隙内微放电通道的等离子体参量的变化规律。 与在传统的具有双层介质的介质阻挡放电系统中所产生的微放电通道不同, 三层介质系统内微放电通道在光谱特性方面展现了完全不同的性质以及变化规律。 实验发现, 微放电通道在不同的放电气隙中具有不同的发光强度。 利用氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线以及对氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子394.1 nm谱线强度之比的考察, 实验进一步测量了氮分子(C3Πu)的振动温度以及电子平均能量分别随氩气含量以及在不同电压下的变化规律。 结果表明, 当外加电压一定时, 厚气隙内形成的微放电丝在分子振动温度以及电子平均能量上均低于薄气隙微放电丝。 并且它们都随着氩气含量的增加而降低。 随着电压的逐步升高, 厚气隙内的微放电丝在以上两种参量上均基本保持不变, 而薄气隙内微放电丝则出现较为明显的升高。 这表明具有三层介质的介质阻挡放电中薄气隙较厚气隙对电压更为敏感且在相同电压浮动内电场变化范围更大。

采用光电倍增管和光谱仪, 研究了介质阻挡放电中点线超四边形发光斑图的时空结构和等离子参数。通过对斑图中放电丝光信号的采集和分析可知: 点线超四边形斑图是由四套不同的子结构相互嵌套而成, 在每半个电压周期内依次为小点四边形、大点连线、大点晕和位于大点中心的小点四边形。其中前三套子结构在电压上升沿放电, 最后一套在电压下降沿放电。利用发射光谱法, 采集了氮分子(N2)第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射谱线, 并计算得到了点线超四边形斑图中不同子结构的分子振动温度。结果表明: 小点、大点连线和大点的分子振动温度几乎相同。讨论了介质表面的壁电荷分布对点线超四边形斑图的形成及其时空动力学行为的影响。

采用发射光谱法, 首次研究了等离子体参数及激发状态对介质阻挡放电六边形斑图稳定性的影响。 在氩气/空气混合气体的介质阻挡放电中, 随着电压的升高, 放电丝直径增大, 六边形斑图逐渐稳定, 同时放电颜色由紫色逐渐变为灰白色, 说明其等离子体状态及参数可能发生了变化。 测量了六边形斑图放电过程中氮分子谱线和氩原子谱线相对于氩原子763.51 nm的相对强度、 分子振动温度和电子激发温度随外加电压的变化。 结果发现: 氮分子谱线相对强度随电压增加而降低, 氩原子谱线相对强度却升高; 分子振动温度与电子激发温度均随电压增加而增大。 这些现象表明: 随着电压增大, 电子能量增加。 由此, 氩原子激发增多, 放电丝直径增大, 介质表面上沉积的壁电荷面积增大, 放电丝之间的相互作用增强, 六边形斑图趋于稳定。