介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrierdischarge，DBD)是在放電空問內(nèi)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(jù)電極結(jié)構(gòu)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，常見的有線．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(cè)或一側(cè)有線狀等小曲率半徑電極，導(dǎo)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(xiàn)電暈和沿面放電，常見的有電介質(zhì)的兩側(cè)或一側(cè)有線狀等小曲率半徑電極的結(jié)構(gòu)和電極被嵌入電介質(zhì)層的共面型結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，表相放電因具有易于產(chǎn)生面積較大、數(shù)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(kuò)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)域有著更廣泛的前景。

近幾年來，各國研究學(xué)者對(duì)表相放電研究不斷深入，成果顯著。李清泉等人對(duì)絕緣介質(zhì)板兩側(cè)均為線狀金屬電極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電機(jī)理進(jìn)行了研究分析J。孫巖洲等人建立了一維線筒電極模型對(duì)同軸線筒電極的電氣參數(shù)和放電機(jī)理進(jìn)行了詳盡的研究J。何賢俊通過針．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(duì)兩種不同的線電極結(jié)構(gòu)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(yán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)象；高壓電極的形狀及不同分布情況對(duì)放電參數(shù)影響比較大，例如相互連接的線電極之間的距離，共面電極之間的間距等。

目前本研究領(lǐng)域尚未達(dá)成共識(shí)，沒有形成統(tǒng)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(guī)制取低溫等離子體的高壓電極結(jié)構(gòu)，具有重要的理論意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降低放電起始電壓，充分利用電暈放電的預(yù)電離作用，產(chǎn)生數(shù)量較多、分布較均勻的非平衡態(tài)低溫等離子體，本文設(shè)計(jì)并制作了一種新型的微腔結(jié)構(gòu)電極，并利用制作的不同類型和規(guī)格的微電極，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究裝置，建立等效電路模型，根據(jù)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?shù)碾姾闪?、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(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)$設(shè)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，且隨著的S~Dl：i，放電起始時(shí)刻也逐漸提前；受電暈放電的預(yù)電離作用、表面電荷的積累以及微放電的影響¨，在電壓正、負(fù)半周期內(nèi)，電流峰值在大小和數(shù)量上均不完全對(duì)稱；在MDBD發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)，電壓波形發(fā)生畸變，一直持續(xù)到電壓達(dá)到峰值放電結(jié)束時(shí)；但隨著D和放電強(qiáng)度的加強(qiáng)，這種不對(duì)稱性出現(xiàn)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(jié)束時(shí)，回路中的電荷主要通過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圖形的邊長斜率可近似為圖4中的。

根據(jù)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(jié)構(gòu)電極在不同下的和c變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，在電源頻率固定不變時(shí)，隨著的增高，C變化很小，其平均常數(shù)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U的增高則不斷增大，且當(dāng)。一定時(shí)，隨著微腔尺寸的改變，D相應(yīng)的增大，C也不斷增大。

通常認(rèn)為實(shí)驗(yàn)電介質(zhì)具有理想電容性，且真空和無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(jù)Lissajous圖形得到的測(cè)量電容和前面計(jì)算的等效電容可推導(dǎo)出Q。和Q．，。又根據(jù)u=u。一(Q一Q)／C，進(jìn)而可計(jì)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(cè)的電壓。從圖6中可以看出，隨著的增大，放電氣隙電壓也隨之逐漸增大，但增長趨勢(shì)呈現(xiàn)平緩；在f／一定時(shí)，隨著，J的變大，也不斷增大，且微腔尺寸D為0．69對(duì)應(yīng)的U總是高于其他兩種微腔結(jié)構(gòu)電極，保持較大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是受放電通道內(nèi)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(nèi)部存在不均勻電場(chǎng)，且電子電離系數(shù)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)比較敏感，滿足發(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D的增大，微腔表面積增大，相應(yīng)傳輸電荷增多。如圖所示，可以看出半個(gè)周期內(nèi)放電通道傳輸?shù)碾姾闪縌隨著f／的升高而增多；且在f／，一定時(shí)，隨著，)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(yàn)時(shí)在電極周圍可看見微光，隨著f／和D的增大，微光的亮度不斷增強(qiáng)，發(fā)光面積逐漸增加，微放電的聲音也越來越清晰。

根據(jù)Lissajous圖形的面積和前面的分析，可以計(jì)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，隨著升高，電暈預(yù)電離的作用增強(qiáng)，放電通道傳輸?shù)碾姾闪縌增多，平均放電功率P逐漸增大；且在f／一定時(shí)，隨著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(kuò)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(xiàn)增加的趨勢(shì)；但因MDBD發(fā)生在微腔內(nèi)電介質(zhì)表面，放電最先在電極附近開始，隨著升高，放電面積逐漸增大，向微腔中心發(fā)展，在微腔表面先達(dá)到飽和，并逐漸向外擴(kuò)展，當(dāng)微腔尺寸較小，即D較小時(shí)，易于達(dá)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(jié)論

通過對(duì)微腔結(jié)構(gòu)電極的制作及實(shí)驗(yàn)分析，研究了微腔結(jié)構(gòu)電極介質(zhì)阻擋放電。實(shí)驗(yàn)研究表明：

(1)不同微腔尺寸的MDBD微腔與接地電極問等效電容C。、放電氣隙電壓、半個(gè)周期內(nèi)放電通道傳輸?shù)碾姾闪縌、平均放電功率P以及微腔電介質(zhì)表面功率密度p，隨著外加電壓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(xiàn)增大趨勢(shì)。

(2)無論改變外加電壓，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(shè)定的頻率條件下，電源電場(chǎng)的交變速度遠(yuǎn)低于極化電場(chǎng)建立的速度，高壓電極與接地電極問的等效電容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(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

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