為了更清楚地了解超點陣版圖形成的規律,實驗研究了介質阻擋放電中超點陣形成前放電絲的時空特徵. 結果發現,如果單個放電絲邊界呈鋸齒狀,放電絲沒有固定的運動方向,並且單個放電絲的放電時間間隔沒有明顯的長短交替行為,那么升高外加電壓後斑圖不會演化成超點陣斑圖. 如果單個放電絲的邊界平滑、相互之間存在粘連並且運動方向總朝著幾個固定的方向,單個放電絲的放電時間間隔有明顯長短交替行為,那么升高外加電壓將出現超點陣斑圖.
基本介紹
- 中文名：超點陣
- 外文名：superlattice
- 提出時間：1925年
- 提出者：E.伊辛
- 解釋：次近鄰原子對之間的相互作用
- 特徵：放電絲的時空特徵
簡介,實驗裝置,結果與討論,總結,
簡介
介質阻擋放電,亦稱無聲放電,是一種典型的非平衡態交流氣體放電過程。 介質阻擋放電系統通常由2 個平行電極組成,其中至少有1 個電極上覆蓋有電介質,電極兩端連線外加高壓交流電。當兩極間的電壓達到氣體的擊穿閾值時,氣體擊穿形成放電。在大氣壓或更高氣壓條件下,放電電流是由大量微放電通道(又叫放電絲) 組成,這种放電模式被稱為流光模式。 在適當的條件下,放電絲會通過自組織形成穩定的、規則的斑圖。
斑圖是在空間或時間上具有某種規律性的巨觀結構,是由於系統中微觀參量間的相互作用而導致的巨觀量有序分布的狀態,是一種典型的非線性自組織現象。 在斑圖動力學的研究中,既存在簡單的斑圖又存在較複雜的超點陣斑圖。
通常按斑圖包含空間波矢數的多少,將斑圖粗略地分為3 類: 具有單個波矢的稱之為簡單斑圖,具有2 個或2 個以上的有限個波矢的超點陣斑圖和準晶斑圖和具有無限波矢的混沌態。 以往的研究對簡單斑圖和混沌方面的研究比較多,而對超點陣斑圖的研究甚少。 主要是因為它們包括多個不穩定模的激發、競爭及非線性共振相互作用過程,並且能涉及遠離系統初級分叉點的非線性動力學行為,並且超點陣斑圖形成的實驗條件苛刻在實驗中很難獲得。 但是,作為一類複雜的時空結構,超點陣斑圖已成為目前斑圖動力學領域的一個研究熱點。
雖然存在於不同系統中斑圖形成的具體機制不同,但斑圖在形態、形成及演化上具有相似性。 也正是由於這些原因,人們迫切希望獲得豐富多樣的超點陣斑圖,並對它們進行深入研究,搞清上述多模非線性共振相互作用過程和非線性動力學行為,進而揭示斑圖形成的非線性自組織規律,和推動斑圖動力學研究的發展。
本工作研究了超點陣斑圖形成之前的放電絲的時空特徵,實驗發現了幾種超點陣斑圖形成之前的單個微放電絲存在時空共性,這將有助於解釋超點陣斑圖產生的根本原因和控制超點陣的形成,這對介質阻擋放電超點陣電斑圖的研究具有重要意義。
實驗裝置
放電電極由2 個裝滿水的內徑為70 mm 的有機玻璃管組成,與高壓電源兩端相連的金屬絲浸入到水中,有機玻璃管的兩端用厚度為1. 5 mm 的玻璃封住,玻璃兼作介質使用。 整個電極系統放入一個密封的氣室中。 氣室中可充入比例不同的空氣和氬氣的混合氣體。 交流高壓電源電壓在0～10 kV可調,頻率固定為55 kHz。 不同形狀、厚度的邊界夾在介質之間。 氣室內的氣壓在0。 5 ×105～1 ×105 Pa 內變化。 其兩側設有觀察窗,用數位相機( Konica Minolta Dimage Z2) 從一端面拍攝放電絲的空間分布,另一端放電的光信號通過光電倍增管PMT (RCA 7625) 採集並輸入數字示波器( Tektronix DPO 4054 ,500 MHz) 。 使用頻率為55 kHz的正弦交流電源,電壓由高壓探頭( Tektronix P6015A 1000X) 測得,並用示波器記錄、存儲。
結果與討論
實驗在不同條件下得到了不能形成超點陣斑圖放電絲的空間分布及其發光信號,超點陣斑圖和超點陣形成前放電絲的空間分布以及其單個放電絲的發光信號。
升壓過程中未出現超點陣斑圖,U = 4。 92 kV ; 頻率f = 55 kHz ;氣隙間距d = 2。 4 mm ;氣壓p = 0。 6 ×105 Pa ;空氣體積分數χ=10 %。
實驗發現在不同條件下得到的超點陣斑圖在形成前在時空結構上具有一定的相似性。 從簡單斑圖或者隨機放電絲向超點陣斑圖演化時,首先放電絲開始運動,這种放電絲的運動與隨機放電絲的運動不同。
隨機放電絲的運動方向在各個方向都有可能,具有一定的隨機性,從簡單斑圖或者隨機放電絲向超點陣斑圖演化時,大多數放電絲只朝著有限、固定的幾個方向運動。 而這幾個方向正是超點陣斑圖形成後波矢的方向。 這種現象,可能是微放電通道在空間上發生重排過程中在巨觀可視範圍的一個表現。
單個放電絲的邊界有呈鋸齒狀的毛刺; 超點陣斑圖產生前的單個放電絲的邊界則為平滑的曲線,並且各個放電絲間有相互粘連的行為。 這種粘連行為具體表現為,相鄰2 個微放電之間存在有亮度較小的暈,使得原來彼此孤立的2 個單個微放電通道之間的界限變得模糊。
從時間上來看,超點陣產生前的放電絲放電時間間隔長短交替的特徵更明顯。 在演化過程中不能夠形成超點陣斑圖的放電絲2 次放電的時間間隔相等,為一個常數。 對於在升壓過程可以形成超點陣斑圖的單個放電絲在從簡單斑圖或者隨機放電絲向超點陣斑圖演化的過程中會出現單個放電絲放電時間間隔長短交替的現象。
眾所周知,在介質阻擋放電中,由於電介質的存在,放電產生的電荷積累在介質層的表面形成壁電荷。 壁電荷形成與外加電場方向相反的內建電場,其作用是熄滅本次放電。
當下一個半周來臨時,外加電壓改變方向,內建電場與外加電場方向相同,因而其作用是促進放電。 本次放電積累的壁電荷越多,下次放電需要的外加電壓越低,這樣形成時間上壁電荷放電的長短交替現象。 超點陣形成前的放電絲呈現更明顯的長短交替放電,說明介質阻擋放電中簡單斑圖和隨機放電絲在向超點陣轉化的過程中介質表面的壁電荷積累更多。
總結
採用介質阻擋放電裝置,研究了超點陣斑圖形成前微放電通道的時空特徵。 實驗發現,如果單個放電絲邊界呈鋸齒狀,放電絲沒有固定的運動方向,放電絲的放電時間間隔沒有明顯的長短交替行為,那么升高外加電壓後不會出現超點陣斑圖。 如果單個放電絲的邊界平滑,相互之間存在粘連,並且運動方總朝著幾個固定的方向(這幾個方向就是超點陣波矢的方向) ,放電絲的放電時間間隔有明顯長短交替行為,那么升高外加電壓將出現超點陣斑圖。
