CN107991544A - 一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统及方法。该系统包括平板电极结构放电单元、He‑Ne激光源、光束放大器、光阑、1/8波片、偏振分束器、凸透镜、小孔、高速摄像机。所述平板电极结构放电单元包括BSO测量单元、高压电极、绝缘支架和地电极。所述BSO测量单元包括BSO晶体、BK7玻璃和ITO透明电极。BSO晶体胶合在BK7玻璃上，BK7玻璃的另一面镀有ITO透明电极。所述光阑、偏振分束器、1/8波片被固定在同一光学导轨上。本发明基于Pockels效应，通过记录携带电场信息的反射光光强，得到介质表面电荷动态分布。本发明测量灵敏度和分辨率高、对阻挡材料的透光性能没有要求，有助于从表面电荷动态分布角度，对介质阻挡放电进行深入的机理性研究。

Description

一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统及方法

技术领域

本发明属于介质阻挡放电领域，涉及一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统及方法。

背景技术

介质阻挡放电是指在正负电极间插入绝缘介质后放电空间出现的非平衡态气体放电的现象。介质阻挡放电能够在大气压或者高于大气压下获得低温等离子体，不用真空设备就可以在较低的温度下获得化学反应过程中需要的活性粒子。目前，介质阻挡放电在工业领域应用广泛，是气体放电的研究热点之一。

由于电介质表面电导率很低，介质阻挡放电产生的带电粒子到达介质后不会由于电传导而消失，而会沉积在介质表面，形成表面电荷。表面电荷产生的电场会对原气隙电场产生畸变，进而影响放电形态的演变过程。工业应用中，往往需要通过均匀的介质阻挡放电产生大量均匀的等离子体。介质阻挡放电中介质表面电荷的动态变化，对于放电形态在丝状放电和均匀放电之间的转化具有重要的调控作用。不同实验条件通过影响表面电荷在介质表面的二维动态分布，来影响放电形态和放电的均匀性。因此，在不同实验条件下，实时观测介质阻挡放电中表面电荷动态分布及其对放电特性的影响具有重要的研究价值和意义。

介质表面电荷测试方法有粉末图形法、探针扫描法和电光效应法。粉末图形法和探针扫描法都无法实现放电过程中介质表面电荷的动态测量。目前，用于表面电荷动态测量的方法主要是电光效应法。电光效应法利用偏振光通过电光晶体时产生的Pockels效应来进行表面电荷的实时动态测量。表面电荷产生的电场会使电光晶体的折射率发生改变，进而影响光强。记录光强信息的变化，通过计算即可得到表面电荷密度的二维动态分布。电光效应法分为透射法和反射法。基于Pockels效应透射法的表面电荷二维动态测量系统，利用透过电介质的光强来算得表面电荷的二维分布。该方法只能测量透明绝缘膜的表面电荷分布，而且介质的光学性质对测量精度有较大影响。反射法通过记录反射光的信息计算表面电荷二维分布，不需要光透过电介质，因此反射法对介质的透光性能没有要求。反射法具有透射法非接触和非破坏性动态测量等优点的同时，还使得一些不透明介质的表面电荷测量成为可能。

发明内容

本发明的目的在于克服粉末图形法、探针扫描法和Pockels效应透射法的技术缺点，提供一种基于Pockels效应反射法的介质阻挡放电中电荷动态分布测量系统及方法，具有非接触非破坏性、动态实时测量、对阻挡介质的透光性能没有要求等优点。本发明能够实现不同气氛、不同气压下，介质阻挡放电中介质表面电荷的二维动态分布测量，能够满足介质表面电荷研究对测量方法的所有要求。本发明通过测量表面电荷二维动态分布，来提供表面电荷积聚和消散的信息，有助于从表面电荷动态分布的角度对介质阻挡放电形态演变和放电均匀性进行深入的机理性研究。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，该测量系统包括平板电极结构放电单元、He-Ne激光源、光束放大器、光阑、1/8波片、偏振分束器、凸透镜、小孔、高速摄像机，He-Ne激光源之后器件的排放顺序依次为光束放大器、光阑、偏振分束器、1/8 波片、平板电极结构放电单元，凸透镜的中心、小孔和高速摄像机镜头的中心在一条水平线上，该水平线与光学导轨垂直，且凸透镜正对偏振分束器，所述平板电极结构放电单元包括BSO测量单元、高压电极、尼龙支架、绝缘支架和地电极，绝缘支架和地电极胶合在一起，并对BSO测量单元进行固定，高压电极由尼龙支架固定，所述光阑、偏振分束器、1/8波片被固定在同一光学导轨上，凸透镜之后依次是小孔和高速摄像机。

所述BSO测量单元包括20×20×0.16mm的BSO晶体、20×20×0.8mm的BK7玻璃和ITO透明电极，BSO晶体胶合在BK7玻璃上，BK7玻璃的另一面镀有ITO透明电极。

所述高压电极为铜电极，该电极由尼龙支架固定。

所述绝缘支架所用材料为聚乙烯，与地电极胶合在一起，中间开有圆形通孔。

所述地电极为铜电极，中间有圆形通孔。

所述He-Ne激光源产生波长为632.8mm的稳定线偏振光，激光束直径为1mm，光束经过光束放大器和光阑后得到直径十几毫米的光束，并将高压电极完全照亮。

一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量方法，首先按照权利要求1所述内容完成整个装置的组装，按照光路调试方法进行光路的调试，先读取高速摄像机前30张的图像，相机拍完30张照片后，用高速摄像机产生的时钟信号触发信号发生器，产生一定幅值的工频正弦电压，其电压信号经放大器放大后施加到高压电极，数据处理时，对前30张照片的光强取平均值I₀，作为参考光强，利用第30张之后的照片根据计算出每张照片拍照时刻延迟相位的二维分布，其中I_q(x,y)为像素点(x,y)处的光强，I₀是为加电压时高速摄像机测得的光强，根据Pockels效应可以得到延迟相位和介质表面电荷密度的关系利用该关系式和延迟相位的二维分布信息，即可计算出介质阻挡放电中表面电荷密度的二维动态分布，由于高速摄像机记录的图像是灰度图，利用Matlab处理对其进行处理，将灰度图转化成能够直观反映表面电荷极性和密度二维分布的彩图，进而得到时间分辨率为1ms的介质阻挡放电中表面电荷的动态分布图像。

所述方法，将光阑、偏振分束器、1/8波片固定在同一光学导轨上，调整光束放大器中心、光阑中心、偏振分束器中心、1/8波片中心和高压电极中心在同一水平高度上，调整光阑通光口直径，使光束刚好把高压电极照亮，调节电极位置，使反射光经过偏振分束器中心位置，调整凸透镜的中心、小孔和高速摄像机镜头的中心在一条水平线上，该水平线与光学导轨垂直，且凸透镜正对偏振分束器，凸透镜之后依次是小孔和高速摄像机，调整各部件高度使光斑处于凸透镜中心，经凸透镜汇聚后形成的光点透过小孔，调整高速相机使光斑在相机视野中呈圆形，进而完成整个光路的调试。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用Pockels效应反射法实现了介质阻挡放电中介质表面电荷的二维动态测量，动态测量的时间分辨率可以达到1ms，像素可以达到512×512。

本发明对介质的透光性能没有要求，可以实现对不透明材料表面电荷的准确测量，克服了Pockels效应透射法和其它表面电荷测量方法的缺点。

本发明通过利用前30张照片得到的参考光强，最大限度的减少了背景光线对实验结果造成的干扰。

本发明利用同步触发系统，在加电压前和加电压后，对高速摄像机和信号发生器进行准确的时序控制，保证了测量结果的准确性。

本发明利用凸透镜和小孔将干扰光滤掉，提升了测量结果的准确性。

附图说明

图1为表面电荷测量系统结构图。

图2为0.7atm氮气环境下工频正弦电压一个周期内低密度聚乙烯的表面电荷动态分布图。

图3为电荷密度色度条彩图对应的灰度图。

其中，1为高压电极；2为尼龙支架；3为放电气隙；4为地电极；5为电介质薄膜；6为BSO晶体；7为BK7玻璃；8为ITO电极；9为绝缘支架；10为真空腔；11为1/8 波片；12为偏振分束器；13为光阑；14为光束放大器；15为He-Ne激光源；16为凸透镜；17为小孔；18为高速摄像机；19为激光束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，包括平板电极结构放电单元、He-Ne激光源、光束放大器、光阑、1/8波片、偏振分束器、凸透镜、小孔、高速摄像机。所述平板电极结构放电单元将BSO测量单元和电极系统耦合在一起，实现介质阻挡放电和放电过程中表面电荷的动态测量。所述He-Ne激光源产生用于表面电荷测量的固定波长的线性偏振光。所述光束放大器通过激光源的接口固定在激光源的出光口上，用于对激光源发出光束的直径进行放大。所述光阑用于对光束放大器输出光束的直径进行调整，即仅让一部分光通过，将一部分光阻挡在外面。所述偏振分束器起分光的作用。所述1/8波片用于对光强产生相位延迟，进而区分表面电荷的极性。所述凸透镜用于对目标光束进行汇聚。所述小孔将不需要的光束过滤掉。所述高速相机用于记录光强信息。光阑、偏振分束器、1/8波片被固定在同一光学导轨上。激光源之后器件的排放顺序依次为光束放大器、光阑、偏振分束器、1/8波片、平板电极结构放电单元。凸透镜的中心、小孔和高速摄像机镜头的中心在一条直线上，该直线与光学导轨垂直，且凸透镜正对偏振分束器。凸透镜之后依次是小孔和高速摄像机。

进一步地，所述平板电极结构放电单元包括BSO测量单元、高压电极、尼龙支架、绝缘支架和地电极。所述BSO测量单元包括20×20×0.16mm的BSO晶体、20×20×0.8mm 的BK7玻璃和ITO透明电极。BSO晶体是表面电荷测量的核心器件。本发明利用BSO 晶体的Pockels效应进行表面电荷的测量。测量时，BSO晶体表面覆盖一层厚度为6微米的低密度聚乙烯薄膜，和测量单元一起作为放电阻挡介质。所述BK7玻璃作为BSO晶体的支撑部件，可以很好的保护和固定BSO晶体。所述ITO电极镀在BK7玻璃的背面。ITO 是一种n型半导体材料，具有高电导率、高可见光透过率、高机械硬度和良好的化学稳定性，因此在本发明中作电极不会对光线产生影响。所述绝缘支架主要对BSO测量单元起固定和支撑的作用。其厚度为1mm，所用材料为聚乙烯，与地电极胶合在一起。所述地电极直接和ITO透明电极接触。地电极中间有直径为20mm的圆孔，以便线性偏振光通过。所述高压电极为直径为10mm的铜电极。所述尼龙支架有较强的耐击穿性能，可以避免电极边缘发生放电。尼龙支架中部开有宽度为20mm、固定深度的凹槽。凹槽的深度即为放电间隙的高度。

进一步地，所述He-Ne激光源具有很好的稳定性、低噪声，能够产生波长为632.8mm的稳定线偏振光，激光束直径为1mm。

进一步地，所述光束放大器可以对光束的直径进行放大，并保证线偏振光的偏振状态、波长不变。

进一步地，所述光阑对光束放大器输出光束的直径进行调整，即仅让一部分光通过，将一部分光阻挡在外面。光束经过光阑后直径为12mm，可以将直径10mm的高压电极完全照亮。

进一步地，所述偏振分束器作用有两部分。对于入射光而言，偏振分束器的作用是将入射光分为振动方向相互垂直的两束线偏振光，即p-偏振光和s-偏振光。s-偏振光经偏振分束器后被反射出去，而p-偏振光则可以通过偏振分束器，作为用于表面电荷测量的入射线偏振光。当BSO上未施加电压时，p-偏振光在被反射后沿原路返回并透过偏振分束器，高速摄像机无法观察到偏振光的信息，仅能观测到背景干扰光的信息；当在BSO上施加与入射光平行的电场时，在1/8波片以及BSO晶体的共同作用下，p-偏振光的偏振状态会发生变化。当此反射光经过偏振分束器后，p-偏振光透过偏振分束器，而包含相位延迟信息的s-偏振光被偏振分束器反射，经过凸透镜和小孔的过滤后，被高速摄像机接收。

进一步地，所述1/8波片用于对入射光进行相位延迟，进而便于通过光强区分表面电荷的正负极性。

进一步地，所述凸透镜用于对偏振分束器反射的s-偏振光进行汇聚。

进一步地，所述小孔用于过滤掉干扰光线。

进一步地，所述高速摄像机记录通过小孔的光强信息，最高采样速率为每秒1000帧图像，像素为512×512。

利用上述表面电荷测量系统，按如下测量方法，可以进行表面电荷的动态分布测量。

进行测量时，首先完成装置的组装和整个光路的调试，使高压电极被光斑完全照亮，使高速摄像机拍到的光斑图像形状不变。高速摄像机所记录的信息包括背景信息以及光强度信息。为了将两者有效分开，对高速摄像机获取的实验结果作如下处理：首先，在不加电压时，读取高速摄像机的前30张图像。相机拍完30张照片后，用高速摄像机产生的时钟信号同时触发信号发生器，信号发生器产生的电压信号经放大器放大后施加到高压电极。前30张照片记录了未加电压前的光强信息，第30张之后的照片记录施加电压后，介质阻挡放电过程中放射光的光强信息。数据处理时，对前30张照片的光强取平均值I₀，作为参考光强。利用第30张之后的照片可以根据计算出每张照片拍照时刻延迟相位的二维分布，其中I_q(x,y)为像素点(x,y)处的光强，I₀是为加电压时高速摄像机测得的光强。根据Pockels效应可以得到延迟相位和介质表面电荷密度的关系利用该关系式和延迟相位的二维分布信息，即可计算出介质阻挡放电中介质表面电荷密度的二维动态分布。由于高速摄像机记录的图像是灰度图，利用 Matlab处理对其进行处理，可以将灰度图转化成能够直观反映表面电荷极性和密度二维分布的彩图。利用上述方法得到的表面电荷密度二维动态分布，有助于揭示各种实验条件下表面电荷动态分布的规律，进而对介质阻挡放电的形态转化和放电均匀性进行深入的机理性研究。

一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，包括平板电极结构放电单元、He-Ne 激光源15、光束放大器14、1/8波片11、偏振分束器12、凸透镜16、小孔17、高速摄像机18和真空腔10。平板电极结构放电单元包括BSO测量单元、高压电极1、地电极4 及相关固定支撑部件。本发明采用的BSO晶体6尺寸为20×20×0.16mm。BSO晶体6胶合在20×20×0.8mm的BK7玻璃7上，BK7玻璃7的另一面镀有ITO透明电极8。这三者共同构成了BSO测量单元。实验时，BSO晶体6的表面会覆盖一层电介质薄膜5。ITO 电极8和地电极4直接接触，绝缘支架9对BSO测量单元起到支撑固定的作用。地电极 4和高压电极1均为铜电极。高压电极1被尼龙支架2固定，尼龙支架的凹槽用于固定高压电极1和电介质薄膜5之间的间距，形成气体放电的放电气隙3。真空腔10用于提供放电所需的低气压环境和不同的放电气氛。

本发明采用的He-Ne激光源15可以稳定的产生波长为632.8nm、直径为1mm的线偏振激光束。该光束经过光束放大器14放大后，经光阑13变为直径十几毫米的激光束19。激光束19被偏振分束器12分为振动方向相互垂直的p-偏振光和s-偏振光。s-偏振光经偏振分束器12后被反射出去，p-偏振光通过偏振分束器。当高压电极1上未施加电压时， p-偏振光在被反射后沿原路返回并透过偏振分束器12，高速摄像机18无法观察到偏振光的信息，仅能观测到背景干扰光的信息；当高压电极1上施加高压时，在1/8波片11以及BSO晶体6的共同作用下，反射光中会含有p-偏振光和s-偏振光。反射光经过偏振分束器12时，p-偏振光透过偏振分束器12，包含相位延迟信息的s-偏振光被偏振分束器12 反射，经过凸透镜16和小孔17的过滤后，被高速摄像机18接收。通过对高速摄像机18 的照片进行定量分析即可得到表面电荷二维动态分布的图像。本发明的时间分辨率为 1mm。上述光学器件和平板电极结构放电单元均由光学支架进行支撑。

测量时，将6微米厚的低密度聚乙烯薄膜覆盖在BSO晶体6的表面，将绝缘支架9 和地电极4胶合在一起，并对BSO测量单元进行安装固定，选用的尼龙支架2形成的气隙高度为0.2mm，然后将整个平板电极结构放电单元放于真空腔10中。依次将光阑13、偏振分束器12、1/8波片11固定在同一光学导轨上。调整光束放大器14中心、光阑13 中心、偏振分束器12中心、1/8波片11中心和高压电极1中心在同一水平高度上。调整光阑13通光口直径，使光束刚好把高压电极1照亮。调整电极位置，使反射光经过偏振分束器12中心位置。按图1位置摆放凸透镜16，小孔17和高速摄像机18，调整其高度使光斑处于凸透镜16中心。光斑经凸透镜16汇聚后形成的光点透过小孔17。调整高速相机18使光斑在相机视野中呈圆形。至此，光路的调节基本完成。

做0.7atm氮气环境下的实验时，先将真空腔10内抽成真空，然后向真空腔10内通氮气，当腔体内气压为0.7atm时停止通气。先读取前30张图像。相机拍完30张照片后，用高速摄像机18产生的时钟信号触发信号发生器，产生一定幅值的工频正弦电压。其电压信号经放大器放大后施加到高压电极1。数据处理时，对前30张照片的光强取平均值 I₀，作为参考光强。利用第30张之后的照片可以根据计算出每张照片拍照时刻延迟相位的二维分布，其中I_q(x,y)为像素点(x,y)处的光强，I₀是为加电压时高速摄像机18测得的光强。根据Pockels效应可以得到延迟相位和介质表面电荷密度的关系利用该关系式和延迟相位的二维分布信息，即可计算出介质阻挡放电中介质表面电荷密度的二维动态分布。由于高速摄像机18记录的图像是灰度图，利用Matlab处理对其进行处理，可以将灰度图转化成能够直观反映表面电荷极性和密度二维分布的彩图，进而得到时间分辨率为1ms的介质阻挡放电中介质表面电荷的二维动态分布图像。0.7atm氮气环境下工频正弦电压一个周期内低密度聚乙烯的表面电荷动态分布图如图3所示。

其它气压和气氛中的表面电荷测量与上述过程类似，只要通入其它种类的气体，到期望的气压下停止通气，然后按照上面的步骤进行实验即可得到表面电荷的动态分布。进行 1atm空气环境下的实验时，可以在腔体外进行实验，其它实验步骤与上文相同。

本发明提出的介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统及方法测量灵敏度和分辨率高，对阻挡材料的透光性能没有要求。利用本发明测得的表面电荷测量结果，有助于从表面电荷动态分布角度，对不同气氛和气压下的介质阻挡放电不同形态的演化过程和放电均匀性等问题进行深入的机理性研究。

Claims (8)

1.一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，其特征在于，该测量系统包括平板电极结构放电单元、He-Ne激光源、光束放大器、光阑、1/8波片、偏振分束器、凸透镜、小孔、高速摄像机，He-Ne激光源之后器件的排放顺序依次为光束放大器、光阑、偏振分束器、1/8波片、平板电极结构放电单元，凸透镜的中心、小孔和高速摄像机镜头的中心在一条水平线上，该水平线与光学导轨垂直，且凸透镜正对偏振分束器，所述平板电极结构放电单元包括BSO测量单元、高压电极、尼龙支架、绝缘支架和地电极，绝缘支架和地电极胶合在一起，并对BSO测量单元进行固定，高压电极由尼龙支架固定，所述光阑、偏振分束器、1/8波片被固定在同一光学导轨上，凸透镜之后依次是小孔和高速摄像机。

2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，其特征在于：所述BSO测量单元包括20×20×0.16mm的BSO晶体、20×20×0.8mm的BK7玻璃和ITO透明电极，BSO晶体胶合在BK7玻璃上，BK7玻璃的另一面镀有ITO透明电极。

3.根据权利要求1所述的介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，其特征在于：所述高压电极为铜电极，该电极由尼龙支架固定。

4.根据权利要求1所述的介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，其特征在于：所述绝缘支架所用材料为聚乙烯，与地电极胶合在一起，中间开有圆形通孔。

5.根据权利要求1所述的介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，其特征在于：所述地电极为铜电极，中间有圆形通孔。

6.根据权利要求1所述的介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量系统，其特征在于：所述He-Ne激光源产生波长为632.8mm的稳定线偏振光，激光束直径为1mm，光束经过光束放大器和光阑后得到直径十几毫米的光束，并将高压电极完全照亮。

7.一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量方法，其特征在于，首先按照权利要求1所述内容完成整个装置的组装，按照光路调试方法进行光路的调试，先读取高速摄像机前30张的图像，相机拍完30张照片后，用高速摄像机产生的时钟信号触发信号发生器，产生一定幅值的工频正弦电压，其电压信号经放大器放大后施加到高压电极，数据处理时，对前30张照片的光强取平均值I₀，作为参考光强，利用第30张之后的照片根据计算出每张照片拍照时刻延迟相位的二维分布，其中I_q(x,y)为像素点(x,y)处的光强，I₀是为加电压时高速摄像机测得的光强，根据Pockels效应可以得到延迟相位和介质表面电荷密度的关系利用该关系式和延迟相位的二维分布信息，即可计算出介质阻挡放电中表面电荷密度的二维动态分布，由于高速摄像机记录的图像是灰度图，利用Matlab处理对其进行处理，将灰度图转化成能够直观反映表面电荷极性和密度二维分布的彩图，进而得到时间分辨率为1ms的介质阻挡放电中表面电荷的动态分布图像。

8.根据权利要求7所述的一种介质阻挡放电中表面电荷动态分布测量方法，其特征在于，将光阑、偏振分束器、1/8波片固定在同一光学导轨上，调整光束放大器中心、光阑中心、偏振分束器中心、1/8波片中心和高压电极中心在同一水平高度上，调整光阑通光口直径，使光束刚好把高压电极照亮，调节电极位置，使反射光经过偏振分束器中心位置，调整凸透镜的中心、小孔和高速摄像机镜头的中心在一条水平线上，该水平线与光学导轨垂直，且凸透镜正对偏振分束器，凸透镜之后依次是小孔和高速摄像机，调整各部件高度使光斑处于凸透镜中心，经凸透镜汇聚后形成的光点透过小孔，调整高速相机使光斑在相机视野中呈圆形，进而完成整个光路的调试。