CN114340122B - 一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置及方法。该装置包括真空反应室、水电极以及高压交流电源；在两个水电极之间设置有玻璃介质板，在玻璃介质板中心开有通孔；在两个水电极与玻璃介质板相邻的玻璃挡片上分别粘贴有若干呈等间距排布的横条纹和若干呈等间距排布的竖条纹；横条纹和竖条纹均由亚克力板制成。采用本发明可以改变外建电场，使外建电场形成横竖方向。本发明首次实现了双侧可以改变外建电场，使外建电场形成渐变电场，即横条电极产生的横向电场竖条纹产生的竖向电场在放电气隙的中间位置处汇聚为格子态，本发明创新了放电装置，对于研究介质阻挡放电中壁电荷对放电的影响有重要意义，在工业领域也有广泛的应用前景。

Description

一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体应用和光学技术领域，具体地说是一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置及方法。

背景技术

光子晶体又称光子禁带材料，是将两种不同介电常数的介质材料在空间按一定周期(尺寸在光波长量级)排列所形成的一种人造“晶体”结构。近年来，等离子体光子晶体已经作为一种新型的光子晶体受到国内外学者的广泛关注和研究，并有望被应用于滤波器光开关、等离子体透镜、等离子体隐身等众多电磁波控制领域。

目前研究较多的是采用介质阻挡放电装置来形成等离子体光子晶体。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)又叫无声放电，是一种典型的非平衡态交流气体放电，其主要特点是至少有一个电极覆盖有电介质。由于电介质层的存在，DBD只能工作在交流条件下，积累在电介质表面的表面电荷是影响气体放电的一个重要因素，但是目前对壁电荷的直接测量受到诸多限制。除此之外，外电场的非均匀分布也是影响等离子体斑图产生的一个重要因素。因此，如何通过调整介质阻挡放电装置来形成多种不同结构的等离子体光子晶体，是目前研究的一大热点。

发明内容

本发明的目的就是提供一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置及方法，该装置是一种新型的介质阻挡放电装置，通过该装置能够产生非均匀渐变电场，进而可形成多种不同结构的等离子体光子晶体。

本发明是这样实现的：一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置，包括真空反应室、设置在所述真空反应室内的两个水电极以及与所述水电极电连接的高压交流电源；所述水电极是由横置的有机玻璃管盛满水且两端用玻璃挡片封堵而构成；其特征是，在两个水电极之间设置有玻璃介质板，在所述玻璃介质板中心开有内部构成放电区域的通孔；在两个水电极与玻璃介质板相邻的玻璃挡片上分别粘贴有若干呈等间距排布的横条纹和若干呈等间距排布的竖条纹；所述横条纹和所述竖条纹均由亚克力板制成。

优选的，所述横条纹和所述竖条纹的宽度均为4.5mm，且横条纹和竖条纹均按4.5mm的间距排布。

优选的，所述横条纹和所述竖条纹的厚度均为1mm；若干横条纹的边缘以及若干竖条纹的边缘均形成与水电极内径重合的圆形边界。

优选的，所述通孔为边长为30mm的正方形通孔，所述水电极上有机玻璃管的内径为75mm。

优选的，所述通孔内放电区域的面积小于水电极的横截面面积，玻璃介质板外边框所围面积大于水电极的横截面面积。

优选的，在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为气压可调的空气或空气与氩气的混合气体；所述真空反应室内放电气体的气压为0.3atm。

采用上述装置所产生的非均匀渐变电场的气体放电方法，包括如下步骤：

a、设置如上所述的装置；

b、将真空反应室密闭，抽真空，并充入氩气，使真空反应室内的气压为0.3atm；

c、逐步增大高压交流电源的输出电压，通过真空反应室上的观察孔观察在放电区域内所产生的介质阻挡放电现象，且产生了非均匀渐变电场。

优选的，步骤c中高压交流电源的输出电压为2.80kV。

本发明通过改变外电场的分散模式，在两个水电极之间的放电气隙内放电，由于两边壁电荷积累，在合适的条件下自组织呈现出的斑图位置发生变化，即外电场被调制。通过本发明新型的介质阻挡放电装置，在高pd值(p为气压，d为放电气隙)气体放电中丰富了自组织等离子体斑图结构的种类。而且，本发明在不同的位置可以形成不同形状的电场，对于放电的理论研究即研究壁电荷对放电的影响有重要意义，在工业领域中这种可以控制外电场的分散模式，具有广泛的应用前景。本发明原理清晰，易于实现，重复性和可操作性好，为更好地进行机理研究与工业应用创造了条件。

附图说明

图1是本发明中装置的结构示意图。

图2是图1中两个水电极以及中间玻璃介质板的结构示意图。

图3是采用照相机所拍摄的水电极两端的放电照片以及两个水电极中间玻璃介质板侧面的放电照片。

图4是根据照相机所拍摄的水电极两端的放电照片所做的图。

图5是图4中两幅图以及两幅图叠加后的图。

图6是本发明在放电气隙不同位置处的拉普拉斯总电场的模拟示意图。

图中：1、真空反应室；2、水电极；3、第一玻璃挡片；4、第二玻璃挡片；5、玻璃介质板；6、铜环；7、进气口；8、出气口；9、高压探头；10、气压表；11、高压交流电源；12、电阻；13、示波器；14、照相机。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的产生非均匀渐变电场的气体放电装置包括真空反应室1，在真空反应室1的壁体上设有进气口7、出气口8以及气压表10。在真空反应室1内设置有两个相对的水电极2。每一水电极2均由盛满水的有机玻璃管横向放置且两端用玻璃挡片封堵而构成。在每一水电极2内均设有铜环6。左端水电极内的铜环连接高压交流电源11的高压端，高压交流电源11的接地端接地线。右端水电极内的铜环连接地线。左端水电极内的铜环通过串联的高压探头9连接示波器13，右端水电极内的铜环通过并联的电阻12连接示波器13。通过示波器13可以读出电压以及电流。

结合图2，本发明实施例中将左端水电极的右端玻璃挡片称为第一玻璃挡片3，将右端水电极的左端玻璃挡片称为第二玻璃挡片4，第一玻璃挡片3和第二玻璃挡片4左右相对。在第一玻璃挡片3和第二玻璃挡片4之间设置有玻璃介质板5。

本发明在玻璃介质板5两侧两个玻璃挡片上分别设置有横条纹和竖条纹，具体是：在第一玻璃挡片3上设置有若干等间距排布的横条纹，在第二玻璃挡片4上设置有若干等间距排布的竖条纹。横条纹和竖条纹均由亚克力板通过绝缘胶粘接在相应的玻璃挡片上。且这些横条纹以及竖条纹分别形成一个圆形结构，两个圆形结构与水电极2的有机玻璃管的横截面等大且位置相对。

在中间的玻璃介质板5上开有正方形通孔，该正方形通孔构成放电气隙(或称放电区域)。放电区域的面积小于水电极的横截面面积，而玻璃介质板5的外边框所围面积大于水电极的横截面面积。本发明实施例中水电极是由有机玻璃管构成，有机玻璃管的内径为75mm，外径为85mm，有机玻璃管的长度为110mm。玻璃介质板5的外边框是长方形结构(其他实施例中外边框为正方形或圆形等均可，对此没有要求)，长为110mm，宽为100mm，厚度为3.4mm。玻璃介质板5上的正方形通孔的边长为30mm。

第一玻璃挡片3和第二玻璃挡片4的厚度为1.5mm。第一玻璃挡片3及其上的横条纹为一体结构，第二玻璃挡片4及其上的竖条纹形成一体结构，左右两侧的一体结构与中间的玻璃介质板5相互叠加贴合在一起。这样，玻璃介质板5两侧紧贴横条纹和竖条纹。

本发明实施例中横条纹以及竖条纹均是宽度为4.5mm的条纹，而且，条纹之间的间距也是4.5mm，条纹的厚度为1mm。由于横条纹和竖条纹均是等间距设置，因此，从一端看，横条纹和竖条纹交叉排列。在放电区域内，横条纹和竖条纹交叉的地方的介质是亚克力板，且交叉点处的亚克力板的厚度为横条纹与竖条纹的厚度之和，为9mm，大小为4.5mm的正方形；横条纹和竖条纹交叉所形成的空隙同样是4.5mm的正方形；除去空隙位置以及交叉点位置以外的区域为若干个小块儿的横条纹或竖条纹，每一个小块儿均是4.5mm的正方形。当高压交流电源的电压达到气体击穿阈值时，在两个水电极间的放电区域内产生放电丝。由于在两个相对的玻璃挡片上分别贴了一层横条纹和一层竖条纹的亚克力板，因此，横条纹和竖条纹交叉点位置处是9mm厚的亚克力板，交叉点上下左右位置是4.5mm厚的横条纹或竖条纹，交叉点斜对角是空隙位置，这就导致空隙位置处的介电常数最小，交叉点位置处的介电常数最大，其余位置处的介电常数居中。在相同的外加电压条件下，空隙位置处的电场强度大于交叉点位置处的电场强度，因此，随着电压的增加，放电首先在空隙位置处产生。这就能对电场起到调制作用，从而可产生非均匀渐变电场，进而产生渐变等离子体光子晶体。

采用上述装置产生等离子体放电的实验步骤如下：

1、在两个水电极2内分别加注蒸馏水，两个水电极2相对的两个玻璃挡片上分别粘贴横条纹和竖条纹，在两个水电极之间放置玻璃介质板5，在玻璃介质板5的中心开有正方形通孔。

2、将两个水电极2以及玻璃介质板5整体放入真空反应室内，使左端水电极上的两个铜环6分别连接真空反应室1的两个高压接线柱，右端水电极上的铜环6连接真空反应室1的接地线柱；高压交流电源11的高压输出端连接真空反应室1的两个高压接线柱，高压交流电源11的接地端接真空反应室1的接地线柱。

3、将真空反应室1密闭，并抽真空到0.1atm；充入适当的氩气，充氩气后气压是0.3atm。

4、逐步增大高压交流电源11的输出电压，当输出电压为2.80kV，通过真空反应室上的观察孔观察介质阻挡放电现象。

5、用普通照相14拍下横竖条纹两端的图以及侧面图，如图3所示，图3中左右两个图分别是从左端水电极和右端水电极端部所拍摄的照片，中间是从玻璃介质板端侧拍的照片。根据实际的比例将横竖条纹两端的图画出，并进行染色叠加，如图4和图5所示。图中，浅灰和深灰分别代表横条纹和竖条纹，放电在空隙位置处产生，中心小圆点代表亮点，小圆点周围的大圆点代表亮点周围的晕，圆圈内未涂色的部分代表被条纹所遮。由图4和图5可以看出，横竖条纹两端的亮点大多数未重合，即表明外电场发生了变化。

本发明对图1所示放电区域不同位置处的拉普拉斯总电场进行模拟，如图6所示。需要说明的是，在模拟时玻璃介质板中间开了一个与水电极横截面等大且相对的圆形通孔，即放电气隙是与水电极横截面对应的圆形区域。而且模拟时，玻璃介质板的厚度为1mm，即图6中d＝1mm，图6中z表示在玻璃介质板的厚度方向上某位置与玻璃介质板右侧板面之间的距离，z从0.1mm到0.9mm，即表示从玻璃介质板的右侧板面开始，从距其0.1mm到距其0.9mm，在玻璃介质板的不同厚度方向上进行了电场模拟，从而可得出放电气隙内不同位置处的电场分布情况。从图6所模拟出的玻璃介质板不同厚度处的电场分布情况可以看出，靠近竖条纹位置处的电场呈现竖条纹的既视感(尤其是z＝0.1mm，表现尤为突出)，此处，电场呈现竖条纹的既视感指的是：从视觉上来看，各圆圈呈现纵向的椭圆状结构(即椭圆形的长轴沿竖直方向，短轴沿水平方向)，从而使得整体形成竖条状结构；靠近横条纹位置处的电场呈现横条纹的既视感(尤其是z＝0.9mm，表现尤为突出)，电场呈现横条纹的既视感指的是：从视觉上来看，各圆圈呈现横向的椭圆状结构(即椭圆形的长轴沿水平方向，短轴沿竖直方向)，从而使得整体形成横条状结构。而且，在放电气隙的中间厚度部位，即在z＝0.5mm的位置处，形成正圆形的格子态电场，表明左右两侧横竖条纹对此处电场的调制达到了均衡。并且有：横竖条纹在交叉点位置处电场最弱，横竖条纹交叉所形成的空隙处的电场最强，除交叉点位置以及空隙位置外的其余部位的电场居中。

在本发明所提供的新型装置下，可以通过调节外加驱动，改变等离子体参数，进而改变等离子体光子晶体的带隙结构，实现对不同波段电磁波的控制，获得不同结构的等离子体光子晶体。

Claims (5)

1.一种产生非均匀渐变电场的气体放电装置，包括真空反应室、设置在所述真空反应室内的两个水电极以及与所述水电极电连接的高压交流电源；所述水电极是由横置的有机玻璃管盛满水且两端用玻璃挡片封堵而构成；其特征是，在两个水电极之间设置有玻璃介质板，在所述玻璃介质板中心开有内部构成放电区域的通孔；在两个水电极与玻璃介质板相邻的玻璃挡片上分别粘贴有若干呈等间距排布的横条纹和若干呈等间距排布的竖条纹；所述横条纹和所述竖条纹均由亚克力板制成；

所述横条纹和所述竖条纹的宽度均为4.5 mm，且横条纹和竖条纹均按4.5 mm的间距排布；

所述横条纹和所述竖条纹的厚度均为1 mm；若干横条纹的边缘以及若干竖条纹的边缘均形成与水电极内径重合的圆形边界；

所述通孔为边长为30 mm的正方形通孔，所述水电极上有机玻璃管的内径为75 mm。

2.根据权利要求1所述的产生非均匀渐变电场的气体放电装置，其特征是，所述通孔内放电区域的面积小于水电极的横截面面积，玻璃介质板外边框所围面积大于水电极的横截面面积。

3.根据权利要求1所述的产生非均匀渐变电场的气体放电装置，其特征是，在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为气压可调的空气或空气与氩气的混合气体；所述真空反应室内放电气体的气压为0.3 atm。

4.一种产生非均匀渐变电场的气体放电方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置如权利要求1-3任一项所述的装置；

b、将真空反应室密闭，抽真空，并充入氩气，使真空反应室内的气压为0.3 atm；

c、逐步增大高压交流电源的输出电压，通过真空反应室上的观察孔观察在放电区域内所产生的介质阻挡放电现象，且产生了非均匀渐变电场。

5.根据权利要求4所述的产生非均匀渐变电场的气体放电方法，其特征是，步骤c中高压交流电源的输出电压为2.80 kV。