近期工坊成员从事DBD均匀放电研究过程中发现了一个悖论……
前几期工坊推送了高气压下纳秒SDBD由均匀放电转捩为丝状放电的物理现象（参见《实验vs模拟：奇妙的高气压nSDBD均匀-丝状放电转捩》），本期分享反方向上另外一个奇特现象：正弦波电压下的大气压DBD均匀放电。缘由，是近期工坊成员从事DBD均匀放电研究过程中发现了一个悖论…… 自然现象：大气压下DBD均匀放电 大气压下DBD均匀放电一般通过缩小电极间距实现。如在N2+50ppmO2气体中，将介质板间距调至2mm以下，即可实现均匀放电，如下图左所示。
均匀放电的判据，除了通过直接观察放电形态以外，比较量化的方法，则是观察放电电流曲线。上图右记录了DBD由丝状放电转捩为均匀放电的电流（红色）值——第一个电压周期下，电流波形出现了很多毛刺，表征放电呈无规则细丝状；但是在第二个电压周期时，电流毛刺消失，形成了均匀放电。 实验解释：汤生放电与辉光放电 大气压DBD中，均匀放电存在两种物理过程可能性，汤生放电与辉光放电。 下图左为汤生放电，电子向阳极运动中碰撞电离出更多的电子，形成雪崩放电，这种放电通道内电场均匀，阳极区域发光较强； 下图右为辉光放电，此时放电通道形成，电子迅速离开阴极，导致等离子体主体区域与阴极之间形成了高电场鞘层，这种放电主体区域电场很低，阴极附近发光较强。
下图为通过10ns曝光时间的ICCD拍摄的DBD均匀放电图像。(a)为He气，(b)为N2+50ppmO2。显然，(a)中阴极放电强，认为是辉光放电，而(b)中阳极放电强，被很多研究团队认为是汤生放电。
在上图中，我们已经得知，汤生放电中，电场在放电通道内是均匀的。这就为实验中，根据测量的电压值，配合介质电容特性计算等离子体电压、进而计算等离子体中的电场提供了便利。下图为通过实验电压，基于均匀电场假设得到的N2+50ppmO2均匀DBD放电稳定时的电场。
配合均匀DBD放电，工坊成员针对NO分子和O原子进行了LIF/TALIF绝对密度测量。在利用高精度的LIF/TALIF测量结果解释放电机理的过程中，悖论出现了—— 模拟研究：一个相悖 工坊利用NANA代码，将上一节得到的电场作为输入（命名为E/N_Townsend），计算出理论NO和O密度并与实验结果对照，如下图所示，差别竟高达1-2个数量级，这是决不能容忍的误差了。
工坊曾利用NANA代码校正过快速电离波实验测量结果。采用同样的逻辑，我们重构了放电电场（命名为E/N_NANA），如下图所示：放电稳定状态下的电场，远小于基于汤生放电思路下的实验计算电场。
将重构电场作为代码输入，将计算结果与之前的所有结果绘制于下图，发现放电稳定后的粒子数密度，与激光测量得到的绝对密度值，吻合良好。 需要注意的是，代码输入电场为放电稳定后的电场，没有考虑放电第一个周期内不稳定时期电场波动，以及DBD边缘局域强电场，因而只有稳定时刻（图中约30-40ms）的计算密度与实验密度具有比较意义。
以上结果，形成了一个悖论： 1）如果我们认为大气压N2+50ppmO2下，均匀放电机制为汤生放电，那么通道内的均匀电场值将非常大，理论预测的粒子数密度将远超测量值； 2）如果我们放弃汤生放电理论，使用较低的重构电场计算粒子数密度将与实验结果吻合良好，但是，这又与肉眼观察的实验结论相悖。 总结 本例中DBD均匀放电中的悖论，主要症结还是在放电电场大小问题上。目前尚无针对均匀DBD直接测量电场的结果，工坊君认为，基于光谱或激光测量电场的技术，将有助于回答这个疑问。 感谢工坊成员LAPLACE实验室林茜博士提供的文献资料、实验细节与有益讨论。
（关于DBD均匀放电的更多背景知识可参考：） Massines, F., Gherardi, N., Naudé, N., & Ségur, P. (2009). Recent advances in the understanding of homogeneous dielectric barrier discharges. The European Physical Journal-Applied Physics, 47(2). Massines, F., Segur, P., Gherardi, N., Khamphan, C., & Ricard, A. (2003). Physics and chemistry in a glow dielectric barrier discharge at atmospheric pressure: diagnostics and modelling. Surface and Coatings Technology, 174, 8-14.
喜欢请关注公众号：等离子体计算工坊
公众号交流微信：工坊君 你感兴趣的就是工坊希望和你共同学习的 |
