一种对比沿面介质阻挡放电中的阴极层厚度的方法

本发明属于大气压低温等离子体应用技术领域，涉及一种对比沿面介质阻挡放电中的阴极层厚度的方法。

背景技术

沿面介质阻挡放电中的数值模拟研究发现，在暴露电极边缘附近存在一个强击穿电场区域。这个区域不移动，并且非常狭窄，大约几十微米，类似于低气压放电中的鞘层结构。这个类鞘层结构产生于暴露电极相对于介质表面为负极性时的类辉光放电过程，所以被称为阴极层。阴极层中的带电粒子形成一个偶极子。正离子向暴露电极漂移，最大密度出现在暴露电极的边缘。电子漂移到介质表面形成主放电区域，并表现出相对均匀的类辉光放电模式。由于质量的不同，离子的漂移速度低于电子的漂移速度，导致在阴极层中呈正电位分布。另外，电子雪崩产生的正离子主要集中在阴极层，主要有O2⁺离子、O4⁺离子、N2⁺离子和N4⁺离子，其中O2⁺离子的密度最大。这些正离子最终增强了阴极层的正电位。阴极层是一个强电离区域，其中正离子占主导地位，等离子体密度约为10¹⁵cm^-3。阴极层的等离子体密度比放电发展区域的等离子体密度大3个数量级，由此产生了电场屏蔽，使产生的放电等离子体内部的电场降低到一个很小的值。然而，放电发展区域具有较强的约化电场，有利于EHD力的发展。EHD力主要产生于负暴露电极极性的类辉光放电阶段。EHD力的来源是长寿命氧负离子携带的体积负电荷的积累。EHD力的来源之一是由附在O2分子上的电子产生的O2^-离子。阴极层是电子的来源，它可以维持负离子的产生。然而，阴极层中的正离子屏蔽了外加电压，影响了电子发射。此外，从阴极层发射的电子聚集在介质表面(持续整个负极性暴露电极阶段)，屏蔽了外部电场，减缓了氧负离子向表面的运动。同时，阴极层的平均场强降低，导致阴极层破坏。阴极层破坏后，电子源消失，EHD力的发展受到限制。然而，由阴极层内电荷分离产生的正离子云仍停留在暴露电极的边缘，屏蔽施加的电压。正离子云持续在整个负极性暴露电极阶段，就像电子积累在介质表面一样。

阴极层影响着激励器的机械性能，然而其尺寸很小，微米量级，难以实现实验上的测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种快捷、方便的对比沿面介质阻挡放电中的阴极层厚度的方法，该方法利用直流电源提供扫描偏置电压，根据相同偏置电压范围内的等离子体电动势分叉程度来对比阴极层的厚度，为后续阴极层的实验研究奠定了基础。

本发明的技术方案为：

一种对比沿面介质阻挡放电中的阴极层厚度的方法，包括以下步骤：

第一步，选择需要对比的两种或两种以上的沿面介质阻挡放电等离子体激励器装置；

第二步，连接电路：直流电源通过定值电阻连接沿面介质阻挡放电激励器的暴露电极，并与电容并联，以保护直流电源，沿面介质阻挡放电等离子体激励器的封装电极连接沿面介质阻挡放电的驱动电源；

第三步，调节电势探针的位置：电势探针通过绝缘支架固定在数控位移平台上，并将电势探针放置在暴露电极边缘的上方约2mm-4mm处，启动直流电源和放电的驱动电源，在绝缘介质板表面产生等离子体，通过数控位移平台细调电势探针高度，探针高度的调节遵循这样的原理，即保证针尖电晕放电稳定的基础下尽量缩小针尖到介质板的距离；

第四步，调节数控位移平台测量不同扫描偏置电压下暴露电极边缘附近的电势沿x轴的分布；

第五步，计算表面电势和阴极层所屏蔽的偏置电压；

第六步，更换不同的等离子体激励器重复上述的第二步到第五步，计算此激励器下的表面电势和阴极层所屏蔽的偏置电压；

第七步，相同偏置电压下，对比不同激励器的阴极层所屏蔽的偏置电压的大小，屏蔽的偏置电压大的激励器其阴极层较厚。

一种对比沿面介质阻挡放电中的阴极层厚度的方法所采用的检测装置，包括：沿面介质阻挡放电等离子体激励器、直流电源、电势探针、高压探头和数字示波器。

所述的沿面介质阻挡放电等离子体激励器包括暴露电极、绝缘介质板、封装电极和绝缘胶带；绝缘介质板的上表面固定暴露电极，绝缘介质板的下表面通过绝缘胶带固定封装电极。

所述的电势探针包括钨针、金属片和金属棒；钨针固定在金属片并连接金属棒。

沿面介质阻挡放电等离子体激励器的暴露电极通过定值电阻连接直流电源的高压输出端，并与电容并联，以保护直流电源。

直流电压作为电势的扫描偏置电压；封装电极连接沿面介质阻挡放电等离子体激励器的驱动电源。

所述的电势探针通过绝缘支架被固定在数控位移平台上，再经过高压探头连接到数字示波器；所述的数字示波器选择高分辨模式，以直接记录与表面电荷积累相关的电势的时间平均的直流分量，从而过滤掉交流分量。

电势探针放置在暴露电极边缘的上方2mm-4mm处，以探针针尖产生稳定的电晕放电为原则。

所述的驱动电源采用交流电源，电源频率为30kHz，电压峰峰值为12kV；

所述的直流电源的直流电压为-3kV、-5kV和-7kV；直流电源通过电阻与沿面介质阻挡放电等离子体激励器的暴露电极相连；等离子体激励器暴露电极再通过电容接地。

所述的定值电阻为100kΩ，放置在暴露电极和直流电源之间，目的是将直流电路中的交流电流限制在较低的水平，以保证直流电源的安全。

所述的电容为10nF。

所述的电势探针可为双钨针电势探针，钨针的直径为0.25mm、曲率半径为0.01mm；两针之间的距离是11mm；探针尖端的曲率半径应尽可能小，以减少探针与沿面介质阻挡放电等离子体的干扰。

所述的高压探头含有大的内阻，以起到电势测量回路中的分压的作用；也可用大定值电阻和小内阻的高压探头替换；所述的高压探头内阻为900MΩ。

本发明的有益效果为：

本发明能快捷、方便地实现不同的沿面介质阻挡放电等离子体激励器所产生的阴极层厚度的对比，直流电源提供扫描偏置电压，通过比较不同激励器对同种偏置电压的屏蔽能力，实现了阴极层厚度的对比，填补了阴极层在实验对比上的一大空缺，并为后续阴极层的实验研究奠定了基础。

附图说明

图1为三种暴露电极宽度不同的沿面阻挡放电激励器装置图，暴露电极宽度分别为(a)3.2mm、(b)0.8mm、(c)0.2mm；

图2为电势探针示意图；

图3为沿面阻挡放电中阴极层厚度的对比装置；

图4为沿面阻挡放电装置的电路连接示意图和阴极层厚度的对比装置；

图5为不同暴露电极宽度和不同扫描偏置电压下的表面电势沿x轴的分布，暴露电极宽度分别为3.2mm、0.8mm、0.2mm，扫描偏置电压分别为0kV、-3kV、-5kV、-7kV；

图6为不同扫描电压和不同暴露电极宽度下阴极层屏蔽的电压，暴露电极宽度分别为3.2mm、0.8mm、0.2mm，扫描偏置电压分别为0kV、-3kV、-5kV、-7kV；

图中：1沿面介质阻挡放电等离子体激励器；2铜电极；3为绝缘介质板；4绝缘胶带；5钨针；6金属片；7金属棒；8接线点；9电阻；10直流电源；11电容；12电势探针；13高压探头；14数字示波器；15绝缘支架；16数控位移平台；17交流电源。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。

采用上述的装置实现不同等离子体激励器的阴极层厚度的对比的方法，包括以下步骤：

第一步，根据具体的实验选择需要对比的两种或两种以上的沿面介质阻挡放电等离子体激励器装置；图1为本次实验中所使用的三种不同的等离子体激励器，区别仅在于暴露电极的宽度，暴露电极宽度分别为3.2mm、0.8mm和0.2mm。激励器的电极均长为70mm，封装电极的宽固定为20mm，暴露电极和封装电极的水平间距为0mm；

第二步，连接电路：如图4所示，沿面介质阻挡放电激励器图1(a)的暴露电极通过100kΩ的定值电阻9连接直流电源10的高压输出端，并与10nF电容11并联，以保护直流电源。直流电压作为电势的扫描偏置电压；封装电极连接沿面介质阻挡放电等离子体激励器的驱动电源，驱动电源的选取可根据实验要求确定，本次实验中采用交流电源17作为激励器的驱动电源，电源频率为30kHz，电压峰峰值为12kV；

第三步，连接电势测量系统：电势探针12通过绝缘支架15被固定在数控位移平台16上，再经过高压探头13连接到数字示波器14；数字示波器选择高分辨模式，以直接记录与表面电荷积累相关的电势的时间平均的直流分量，从而过滤掉交流分量；

第四步，调节电势探针与介质板表面的距离：先将电势探针12放置在暴露电极边缘(等离子体产生的一侧)的上方约2mm-4mm处，启动交流电源和直流电源，在介质板表面产生等离子体，通过数控位移平台16细调电势探针高度；本次实验中探针针尖距介质板表面为3.3mm；

第五步，调节数控位移平台测量不同扫描偏置电压下暴露电极边缘附近的电势沿x轴的分布，扫描偏置电压分别为-3kV、-5kV和-7kV本次实验中电势探针沿x轴从x＝-2mm到18mm扫描；

第六步，计算表面电势和阴极层所屏蔽的偏置电压：

通过外回路串联分压原理计算表面电势U：

其中U1为数字示波器采集的电压；R1＝900MΩ为高压探头(PINTECH P6039A)的输入电阻；R2为探针尖端与暴露电极之间的间隙电阻，根据经验约为50MΩ；因此，可以推导出，U≈1.06U1；

阴极层所屏蔽的偏置电压U屏蔽:

U屏蔽＝|UAC+UDC-UAC+DC|

第七步，更换不同的等离子体激励器重复上述的第二步到第五步，计算此激励器下的表面电势和阴极层所屏蔽的偏置电压。

第八步，相同偏置电压下，对比不同激励器的阴极层所屏蔽的偏置电压的大小，屏蔽的偏置电压大的激励器其阴极层较厚。

如图5为不同暴露电极宽度和不同扫描偏置电压下的表面电势沿x轴的分布。我们重点关注电极边缘x＝-2mm到x＝2mm内的表面电势分布。当暴露电极施加负扫描偏置电压时，电极附近的表面电势下降，但下降的量很明显小于所施加的偏置电压的值，这种现象经分析是暴露电极边缘的阴极层所产生的屏蔽效应导致的。

在交流高压沿面介质阻挡放电中，阴极层中的电子在电场的作用下向介质板表面漂移，而正离子则向电极移动。当暴露电极施加负扫描偏置电压时，增强了阴极层中电子的发射，导致暴露电极边缘空间的电势增加。如图5中的负扫描电压所示，x＝0mm附近的测得的电势值大于负扫描电压的值。此外，阴极层的电子发射随着负扫描电压的增大而增大，所以暴露电极边缘的电势与施加的扫描电压之间的电势差更加明显，阴极层对扫描电压的屏蔽作用也随至增强。

图6为不同扫描电压和不同暴露电极宽度下阴极层屏蔽的电压。可知同种扫描电压下，暴露电极宽度不同的等离子体激励器，其产生的阴极层所屏蔽的电压不同。随着激励器暴露电极的增宽，其阴极层所屏蔽的电压增强，表明阴极层的厚度增大。

综上所述，可以得出结论：

(1)通过在沿面介质阻挡放电等离子体激励器的暴露电极施加直流扫描电压可以呈现出阴极层的屏蔽效应；

(2)通过对比不同等离子体激励器在暴露电极边缘附近产生的屏蔽效应，可比较其阴极层的厚度，屏蔽效应越强，阴极层的越厚。

本发明可以实现不同等离子体激励器放电所产生的阴极层的厚度的对比。

目前，沿面介质阻挡放电中阴极层的研究仅处在数值模拟阶段，由于其较薄的厚度，微米量级，所以就现有的技术而言实验上无法实现真正意义上的阴极层厚度测量，所以本发明立足于阴极层厚度的对比，以为后续的研究奠定基础。

所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。