介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrierdischarge，DBD)是在放電空問(wèn)內放置絕緣電介質(zhì)的一種氣體放電形式，而絕緣電介質(zhì)可以抑制電弧的形成，從而產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫等離子體。目前，DBD根據電極結構的不同分為體相放電和表相放電。前者放電發(fā)生在電極之間，形成貫穿整個(gè)氣體間隙的放電，常見(jiàn)的有線(xiàn)．管型、管．管型和板．板型等。后者放電發(fā)生在電極附近的電介質(zhì)表面或共面電極之間電介質(zhì)的表面。因電介質(zhì)的兩側或一側有線(xiàn)狀等小曲率半徑電極，導致電極附近電場(chǎng)分布極不均勻，在電極附近電介質(zhì)表面出現電暈和沿面放電，常見(jiàn)的有電介質(zhì)的兩側或一側有線(xiàn)狀等小曲率半徑電極的結構和電極被嵌入電介質(zhì)層的共面型結構。在實(shí)際生產(chǎn)應用中，表相放電因具有易于產(chǎn)生面積較大、數量較多和較為均勻的低溫等離子體，高壓電極與氣體有充分的接觸，有效面積較大和放電通道易于低溫等離子體的形成與擴散等優(yōu)點(diǎn)，在殺菌消毒、光學(xué)物理、材料表面改性、微激光等領(lǐng)域有著(zhù)更廣泛的前景。

近幾年來(lái)，各國研究學(xué)者對表相放電研究不斷深入，成果顯著(zhù)。李清泉等人對絕緣介質(zhì)板兩側均為線(xiàn)狀金屬電極結構的介質(zhì)阻擋放電機理進(jìn)行了研究分析J。孫巖洲等人建立了一維線(xiàn)筒電極模型對同軸線(xiàn)筒電極的電氣參數和放電機理進(jìn)行了詳盡的研究J。何賢俊通過(guò)針．板間填充陶瓷纖維處理方法研究了電暈介質(zhì)阻擋放電特性101。Stanislav對兩種不同的線(xiàn)電極結構和接地電極進(jìn)行了研究。屈廣周等人研究了空氣中篩網(wǎng)一平板電極介質(zhì)阻擋放電的特性。嚴金云等人研究了大氣壓空氣中刃．板電極、針．板電極和柱．板電極結構介質(zhì)阻擋放電的放電特性。研究表明在表相放電中，其高壓電極結構會(huì )引起絕緣電介質(zhì)表面電場(chǎng)分布不均勻，在部分尖端和小曲率半徑存在處易于發(fā)生電暈放電現象；高壓電極的形狀及不同分布情況對放電參數影響比較大，例如相互連接的線(xiàn)電極之間的距離，共面電極之間的間距等。

目前本研究領(lǐng)域尚未達成共識，沒(méi)有形成統一理論。研究不同高壓電極下介質(zhì)阻擋放電的特性，以及改進(jìn)常規制取低溫等離子體的高壓電極結構，具有重要的理論意義和工業(yè)應用價(jià)值。為進(jìn)一步實(shí)現降低放電起始電壓，充分利用電暈放電的預電離作用，產(chǎn)生數量較多、分布較均勻的非平衡態(tài)低溫等離子體，本文設計并制作了一種新型的微腔結構電極，并利用制作的不同類(lèi)型和規格的微電極，設計實(shí)驗研究裝置，建立等效電路模型，根據獲得的Lissajous圖形分析不同尺寸微腔下的電壓電流波形、電極間的等效電容、放電氣隙電壓、半個(gè)周期放電通道傳輸的電荷量、平均放電功率以及電介質(zhì)表面功率密度等參量的變化情況，研究微腔介質(zhì)阻擋放電(microcavity dielectric barrierdischarge，MD—BD)。

在實(shí)驗分析中發(fā)現$設定電源頻率固定不變時(shí),在不同的電極間電壓峰峰值Upp下，MDBD放電起始時(shí)刻有所差異，且隨著(zhù)的S~Dl：i，放電起始時(shí)刻也逐漸提前；受電暈放電的預電離作用、表面電荷的積累以及微放電的影響¨，在電壓正、負半周期內，電流峰值在大小和數量上均不完全對稱(chēng)；在MDBD發(fā)生的時(shí)間段內，電壓波形發(fā)生畸變，一直持續到電壓達到峰值放電結束時(shí)；但隨著(zhù)D和放電強度的加強，這種不對稱(chēng)性出現降低。因此放電Lissajous圖形可以近似為平行四邊形，如圖4所示。在放電結束時(shí)，回路中的電荷主要通過(guò)MDBD等效電路圖3中c所在的支路，此時(shí)放電Lissajous圖形的邊長(cháng)斜率可近似為圖4中的k；在放電發(fā)生時(shí)，其Lissajous圖形的邊長(cháng)斜率可近似為圖4中的。

根據MDBD等效電路，利用等效電容方法，可得到C=C、C+C。=k C，進(jìn)而獲得不同尺寸微腔結構電極在不同下的和c變化曲線(xiàn)，如圖5所示。從圖中可以看出，在電源頻率固定不變時(shí)，隨著(zhù)的增高，C變化很小，其平均常數值近似為37pF；且在改變微腔尺寸時(shí)，C也基本在此值附近上下浮動(dòng)；而C。隨著(zhù)U的增高則不斷增大，且當。一定時(shí)，隨著(zhù)微腔尺寸的改變，D相應的增大，C也不斷增大。

通常認為實(shí)驗電介質(zhì)具有理想電容性，且真空和無(wú)損極化條件下的電流密度均為理想電容性，則放電氣隙電壓可近似為常量。根據Lissajous圖形得到的測量電容和前面計算的等效電容可推導出Q。和Q．，。又根據u=u。一(Q一Q)／C，進(jìn)而可計算出放電氣隙電壓u，如圖6所示。其中Q、Q和u分別為放電熄滅時(shí)刻C、C上的積累的電荷量和C兩側的電壓。從圖6中可以看出，隨著(zhù)的增大，放電氣隙電壓也隨之逐漸增大，但增長(cháng)趨勢呈現平緩；在f／一定時(shí)，隨著(zhù)，J的變大，也不斷增大，且微腔尺寸D為0．69對應的U總是高于其他兩種微腔結構電極，保持較大。經(jīng)實(shí)驗發(fā)現，這是受放電通道內的電荷密度及產(chǎn)生的表面低溫等離子體面積影響造成的。

MDBD的微腔邊緣和內部存在不均勻電場(chǎng)，且電子電離系數對場(chǎng)強比較敏感，滿(mǎn)足發(fā)展流注的臨界條件，因此氣隙的擊穿屬于流注放電。流注放電產(chǎn)生大量電子，電子從微腔邊緣向中心發(fā)展，隨著(zhù)D的增大，微腔表面積增大，相應傳輸電荷增多。如圖所示，可以看出半個(gè)周期內放電通道傳輸的電荷量Q隨著(zhù)f／的升高而增多；且在f／，一定時(shí)，隨著(zhù)，)的增大，Q逐漸增多；受大量的傳輸電荷在電介質(zhì)表面積累影響，實(shí)驗時(shí)在電極周?chē)煽匆?jiàn)微光，隨著(zhù)f／和D的增大，微光的亮度不斷增強，發(fā)光面積逐漸增加，微放電的聲音也越來(lái)越清晰。

根據Lissajous圖形的面積和前面的分析，可以計算出平均放電功率P和微腔表面積的功率密度P，分別如圖8和圖9所示。MDBD受小曲率半徑微腔電極的影響，電場(chǎng)分布不均勻，易于發(fā)生電暈放電。從圖8中可以看出，隨著(zhù)升高，電暈預電離的作用增強，放電通道傳輸的電荷量Q增多，平均放電功率P逐漸增大；且在f／一定時(shí)，隨著(zhù)D增大，微腔電極與空氣接觸更充分，易于等離子體的形成與擴散，因此P也逐漸變大，二者成正比。從圖9中可以看出，因u升高，平均放電功率P增大，p均呈現增加的趨勢；但因MDBD發(fā)生在微腔內電介質(zhì)表面，放電最先在電極附近開(kāi)始，隨著(zhù)升高，放電面積逐漸增大，向微腔中心發(fā)展，在微腔表面先達到飽和，并逐漸向外擴展，當微腔尺寸較小，即D較小時(shí)，易于達到飽和，故從圖9中可以看出在單個(gè)微腔中，D較小時(shí)，P較大。

結論

通過(guò)對微腔結構電極的制作及實(shí)驗分析，研究了微腔結構電極介質(zhì)阻擋放電。實(shí)驗研究表明：

(1)不同微腔尺寸的MDBD微腔與接地電極問(wèn)等效電容C。、放電氣隙電壓、半個(gè)周期內放電通道傳輸的電荷量Q、平均放電功率P以及微腔電介質(zhì)表面功率密度p，隨著(zhù)外加電壓u升高和微腔陣列的表面積與接地電極的面積之比D變大，均呈現增大趨勢。

(2)無(wú)論改變外加電壓，還是微腔尺寸f，受絕緣電介質(zhì)聚酰亞胺自身性質(zhì)的影響，在設定的頻率條件下，電源電場(chǎng)的交變速度遠低于極化電場(chǎng)建立的速度，高壓電極與接地電極問(wèn)的等效電容c．的變化都很小，在平均近似值37pF附近上下浮動(dòng)，接近于靜態(tài)介電常數對應的數值。

(3)在外加電壓f／。相同時(shí)，受MDBD從電極附近開(kāi)始，向微腔中心發(fā)展，在微腔表面先達到飽和，并逐漸向外擴展，在微腔尺寸較小，即D較小時(shí)，易于達到飽和的影響，雖然D越大，P較大，但其對應的P卻較小。