1.8　介質阻擋放電

介質阻擋放電是有絕緣介質置于放電空間的一種氣體放電。通常情況下，介質覆蓋在電極上或者懸掛在放電空間里。介質阻擋放電可以在大氣壓產生低溫等離子體，在環境保護、材料處理、新光源開發等工業領域具有廣泛的應用前景。

1.8.1　介質阻擋放電基本概念

1.8.1.1　介質阻擋放電基本原理

典型的介質阻擋放電的電極結構如圖1-8所示。電極和間隙結構可以是平面形的。也可以是同軸圓柱形的。圖1-8（a）是很常用的放電電極構型，可以用來制造臭氧發生器，其特點是結構簡單，而且可以通過金屬電極把放電產生的熱量散發掉。圖1-8（b）的特點是放電發生在兩層介質之間，可以防止放電等離子體直接與金屬電極接觸，對于具有腐蝕性的氣體或高純度等離子體，這種構型具有獨特的優點。圖1-8（c）可以在介質兩邊同時生成兩種成分不同的等離子體。在電極間放置介質可以防止在放電空間形成局部火花或弧光放電，而且能夠形成通常大氣壓強下的穩定的氣體放電。

介質阻擋放電是將絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電形式，其工作氣壓范圍很寬，在大氣壓下產生穩定的低溫等離子體。在臭氧生成、材料表面改性、殺菌消毒、新型光源、薄膜沉積、電磁波屏蔽、環境保護等工業領域具有廣泛的應用前景。

當在放電電極上施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體，即使在很高的氣壓下也會被擊穿而形成介質阻擋放電。介質阻擋放電通常表現為均勻、漫散和穩定的放電，貌似低氣壓下的輝光放電，但它是由大量細微的快脈放電通道構成的。通常放電空間的氣體壓強可達105Pa或更高，所以這種放電屬于高氣壓下的非熱平衡放電。這種放電也稱為無聲放電，因為它不像空氣中的火花放電那樣會發出擊穿響聲。

當電極上施加正弦波電壓時，介質阻擋放電的微放電電流如圖1-9所示。介質阻擋放電能夠在很大的氣壓和頻率范圍內工作，常用的工作條件是氣壓為104～106Pa、電源工作頻率為50Hz～1MHz介質阻擋放電可以用頻率從50Hz級的電源來啟動。在大氣壓強條件下這種氣體放電呈現微通道的放電結構，即通過放電間隙的電流由大量快脈沖電流細絲組成。電流細絲在放電空間和時間上都是無規則分布的，這種電流細絲就稱為微放電，每個微放電的時間過程都非常短促，壽命不到10ns，而電流密度卻可高達0.1A/cm2～1kA/cm2。圓柱狀的細絲半徑約為0.1mm。在介質表面上微放電擴散成表面放電，這些表面放電呈明亮的斑點，其線徑約幾毫米。透過透明電極拍攝到的微放電通道在介質表面上形成的斑點照片如圖1-10所示。放電條件如電源電壓、頻率、放電間隙寬度、放電氣體組成、介質的材料及厚度等的不同會導致放電通道微觀及宏觀上的變化。圖1-10中的兩張照片就是在不同的放電條件下拍攝到的。

研究表明，絲狀放電并不是介質阻擋放電在大氣壓下的唯一表現形式，在一定條件下介質阻擋放電也可以表現為均勻、穩定的無細絲出現的放電模式，被稱為大氣壓均勻介質阻擋放電或大氣壓輝光放電。1988年，日本的Kanazawa等報道了一種在大氣壓惰性氣體中產生均勻穩定介質阻擋放電的方法，隨后這一課題受到世界各國研究者的廣泛關注。一些研究者先后在氦氣、氬氣、氖氣、氮氣等氣體以及這些氣體的混合氣體中實現了均勻介質阻擋放電，并通過電學參數測量、發光圖像拍攝和數值模擬等手段研究了它們的特性。然而這些研究主要集中在大氣壓惰性氣體和氮氣中，其中惰性氣體的價格昂貴，而氮氣作為工作氣體時，需要密閉的工作環境。因此，最適合大規模工業應用的便是空氣中實現的均勻介質阻擋放電。近年來空氣中均勻介質阻擋放電的產生及特性研究成為熱點。

介質阻擋放電的物理過程通常分為放電的擊穿、電荷的傳遞、分子或原子的激發三個階段。放電的擊穿發生在納秒量級，放電的擊穿和電荷的傳遞過程可以形成微放電，在微放電形成的初期主要是電子在外加電場的作用下獲得能量，與周圍的氣體分子發生碰撞，使氣體分子激發電離，從而生成更多的電子，引起電子雪崩，形成微放電通道。

在微放電的后期即伴隨著大量的化學反應。在微放電的后期開始有部分原子或分子發生了激發，形成了一些離子、自由基等活性粒子。部分處于激發態的電子具有較高能量，這些電子可以通過碰撞傳遞能量并激發分子或原子、準分子等粒子。這使得在通常條件下很難得到的自由基、離子、激發態分子或原子、準分子等粒子能在等離子體中大量存在。

微放電產生的物理過程可以如下描述：電源電壓在電介質的電容耦合下在放電區域形成空間電場，在此區域內的空間電子獲得電場能量而加速運動，在運動過程中與周圍的氣體分子發生非彈性碰撞。同時將能量傳遞給氣體分子，被激勵后的氣體分子發生電子雪崩，同時產生相當數量的空間電荷，這些電荷聚集在雪崩頭部而產生本征電場，這個電場和外電場疊加后共同對電子產生影響，高的局部本征電場使雪崩中的電子進一步加速向陽極逃逸，它們的逃逸引起擊穿通道向陽極傳播。一旦這部分空間電荷到達陽極，在那里建立的電場會向陰極方向返回，有一個更強的電場波向陰極方向傳播，于是在放電空間形成來回往返的電場波。在電場波的傳播過程中，原子和分子進一步得到電離，并激勵起向陰極方向傳播的電子反向波。這樣的導電通道能非常快地造成氣體猶如火花放電的流光擊穿。在形成的等離子體中含有高能電子、離子、激發態分子及激發態原子等，這些粒子構成了對材料表面改性的能量基礎。

1.8.1.2　介質阻擋放電的應用

由于介質阻擋放電等離子體可以在大氣壓或高于大氣壓的條件下產生。不需要真空設備就能在較低的溫度下獲得化學反應所需的活性粒子，具有特殊的光、熱、聲、電等物理過程及化學過程，因此已經在臭氧合成、高功率CO2激光器、大功率紫外及真空紫外光源、材料表面改性、大面積等離子平板顯示器、污染控制等領域獲得了廣泛的應用。

介質阻擋放電已經成功應用于工業臭氧生產大約有100年。近十幾年特別是近幾年，介質阻擋放電在國內許多領域進行了廣泛的應用，各個領域對這種放電方式的研究也方興未艾。

（1）臭氧合成

臭氧是一種十分重要的化工原料，它的氧化性僅次于氟，利用介質阻擋放電產生臭氧是非熱平衡等離子體的一種重要應用。自20世紀法國和俄羅斯首先建成了大型的臭氧發生器用作飲用水處理以來，至今全世界已經有大約2000個飲用水處理工廠采用介質阻擋放電臭氧發生裝置。原理為在外加交流高電壓的作用下，放電區域中的高能電子轟擊氧分子使其分解氧原子。氧原子與氧分子在第三方粒子的參與下碰撞聚合成臭氧。同時，氧原子、高能粒子也同臭氧反應形成氧氣。

臭氧發生器多種多樣，從裝置的幾何結構來看，可分為3種基本形式。

①圓管式臭氧發生器　這種發生器一般使用長度為1～2m的圓形玻璃管作為電介質阻擋層，在玻璃管的內外兩側安裝同心的環狀電極，玻璃管外側與外電極之間留有1～2mm的環形氣隙，放電電極間通常施加激勵頻率為50～1000Hz、激勵電壓為5～20kV的交流電，臭氧的合成就在這個環形氣隙內進行，這也是目前工業臭氧發生器的主要形式。

②平板式臭氧發生器　與圓管式臭氧發生器不同，該發生器采用平板電極替代了管式電極，在電極的一側或兩側用噴涂或粘貼的方法插入厚度為0.2～1.0mm的非玻璃電介質薄層，并留0.1～0.5mm的放電間隙。放電電極間通常施加的激勵電壓為1～10kV，激勵頻率為5～10kHz，臭氧的合成同樣在放電間隙內完成。由于這種形式的臭氧發生器能夠獲得高濃度臭氧，同時又具有很高的效率，因此在臭氧發生領域具有極大的發展前途。

③沿面臭氧發生器　該發生器分為圓管式和平板式兩種，其特點是兩放電電極分別涂覆在電介質的兩個表面，電介質的厚度一般為1.0mm，材料通常為氧化鋁陶瓷。電源激勵電壓一般為5～10kV，電源激勵頻率為5～15kHz，臭氧的合成發生在高壓電極的表面。該發生器的結構比較簡單，便于散熱，但存在金屬電極損耗問題，一般僅在小型臭氧發生器中使用。控制和優化放電條件，對臭氧的生成效率具有重要的影響。在供氣成分和能量密度一定的情況下，可以通過改變氣壓、放電空間的寬度、介質的性質以及供氣系統等參數來優化臭氧的生成條件。

（2）高功率CO2激光器

在介質阻擋放電臭氧發生器研究的基礎上，亞吉（Yagi）和他的合作者們研制出了用介質阻擋放電激勵的CO2激光器。這是一種高能量的紅外激光器（10.6μm），可用于精細焊接和厚金屬板切割。不久這種激光器就得到了大規模的商業應用。

介質阻擋放電之所以能夠用來激勵CO2激光器是與它獨特的性質分不開的。介質阻擋放電中的電介質有效地限制了放電電流的無限增長，避免了在高氣壓下形成電弧放電或火花放電，起到了鎮流作用，從而提高了放電的穩定性，提高了光束輸出質量，而且省去了鎮流電阻，降低了激光器能耗，提高了其運行效率。同時電介質也避免了陰極濺射污染工作氣體，提高了激光器的壽命。再者，介質阻擋放電工作在高頻電源下，可以通過調整高頻時控開關器件來調制激光器功率，這樣使激光器裝置結構更加緊湊，便于應用。由此可見，介質阻擋放電激勵大功率CO2激光器遠遠優于傳統CO2激光器，目前已形成一種明顯的發展趨勢。

（3）紫外準分子輻射

準分子是一種不穩定的分子，在納秒期間即可衰變到基態，而基態是排斥態，其激發能級以紫外和真空紫外輻射的方式釋放，常見的準分子為惰性氣體準分子、惰性氣體和鹵族元素的雙原子或三原子準分子。由于準分子的形成是一種三體碰撞過程，因此多半在高氣壓放電條件下形成，常用的激勵手段是快脈沖放電和粒子束激勵。

近些年來，隨著介質阻擋放電的發展，利用其驅動的紫外準分子輻射光源得到了進一步的研究。它們能發射窄帶輻射，通過選擇不同的放電氣體成分，其波長可覆蓋真空紫外、紫外和可見光等光譜區，且不產生輻射的吸收，是一種高效率、高強度的單色光源。

由于紫外準分子輻射光子能量較高，紫外準分子輻射光源已經在工業中得到一些應用。

XeCl*或XeCl*和KrCl*結合使用的紫外燈被用在打印機上，能實現高速打印，是一種比較好的打印機光源。的真空紫外輻射光子能量是7.2eV，這足可以打破大多數分子的化學鍵。它可以實現在氧氣或空氣環境中生成O（3P）和O（1D）等原子，在水或潮濕的空氣中生成·OH。目前，顯示器基板清洗以及半導體工藝中都用氙紫外光源做紫外清洗。清洗中實際起作用的是氧原子，通過氧原子的作用除掉化學作用時殘留的烴類化合物，最終產物是CO、CO2以及H2O等物質。目前，準分子紫外光源又一項新的應用是污染控制和水處理。總之，紫外準分子輻射能產生高能量光子，可直接作用于化學鍵，導致各種化學反應，在光化學、光物理方面具有明顯實用價值，目前主要應用于表面改性、薄膜淀積、化學合成與分解等領域。其次在環境保護與污染控制等領域，它也引起人們越來越多的興趣。紫外準分子光以其獨特的光譜特性、極高的能量密度以及簡易靈活的結構，必將逐漸取代傳統的光源，具有十分廣闊的應用前景。

（4）材料表面改性

材料表面改性是目前材料科學最活躍的領域之一，近年來隨著等離子體技術的不斷發展，利用等離子體進行表面改性逐漸成為研究的熱點。所謂等離子體表面改性就是利用等離子體中產生的活性粒子（如電子、離子、亞穩態原子和分子、自由基、紫外光子等）對材料表面進行處理，如增加或去除材料表面吸附的幾個單層（原子或分子）；涉及表面的化學反應；增減表面電荷；改變材料表面最外幾個單層的物理或化學狀態。等離子體中存在具有一定能量分布的電子、離子和中性粒子，在與材料表面撞擊時，將能量傳遞給材料表面的原子或分子，產生一系列物理、化學過程。一些粒子還會注入材料表面，引起級聯碰撞、散射、激發、重排、異構、缺陷、晶化或非晶化，從而改變材料的表面性能，一般可提高材料表面的強度、硬度、耐磨性、吸濕性、抗靜電性、染色性、粘接性、印刷性或抗腐蝕性。

傳統的等離子體表面改性，一般利用低氣壓下輝光放電產生的低溫等離子體而進行。對于大規模工業生產而言，利用低氣壓輝光放電進行處理有兩個很難克服的缺點：一是放電處于低氣壓環境，且需要維護運行的真空系統，生產成本昂貴；二是工業化處理過程中需要不斷打開真空室放進樣品，取出成品，然后再重新抽真空，充入工作氣體并放電，因此整個處理過程煩瑣復雜，難以連續生產。因此實現常壓下等離子體材料表面改性是各國科學家關注的熱點。介質阻擋放電能夠在常壓下產生具有高電子能量的非平衡等離子體，十分適合材料的表面改性，受到國內外研究人員的普遍關注。目前，用介質阻擋放電對材料進行表面改性，已經在工業生產中獲得一定的應用。但是，介質阻擋放電等離子體在常壓下一般表現為在時間上和放電空間中隨機分布的大量具有高能量密度的細絲狀放電電流形式，使其難以對材料表面進行均勻處理，限制了工業應用。

近年來的研究表明，細絲狀放電并不是介質阻擋放電在常壓下的唯一表現形式，在一定的條件下，常壓介質阻擋放電可以表現為均勻穩定的類似低氣壓輝光放電的形式，稱為大氣壓下輝光放電。自1988年以來，各國研究人員分別采用不同電極結構介質阻擋放電的方法，在一些氣體與氣體混合物中建立了大氣壓下輝光放電，并嘗試用其進行材料表面改性，取得了一定的進展。法國學者用氮氣和氦氣中大氣壓下輝光放電和介質阻擋放電對聚丙烯薄膜表面進行改性，美國研究人員用氬氣、氦氣和氧氣中大氣壓下輝光放電對聚丙烯纖維進行親水性改性，均獲得了良好的效果。

（5）等離子體平板顯示器

等離子體平板顯示器（plasma display panel，PDP）是利用氣體放電發光進行顯示的平面顯示板。其具有厚度薄、質量小、大平面、大視角、響應快、具存儲性、受磁場影響小、不需磁屏蔽等優點。PDP可應用在30～70in的各個顯示領域。特別是可作為壁掛式高清晰電視進入家庭。因此已成為全球各大公司競爭的重點。等離子平面顯示器從某種意義上說，也是一種介質阻擋放電光源。或者說它是由大量的微型介質阻擋放電光源組成的器件。事實上，這種顯示器的每一個像素都是由三個介質阻擋放電單元組成，它們分別由介質阻擋放電產生的紫外輻射激發熒光粉產生紅、綠、藍三色光。通過調制每個像素點所發出的二基色光的不同發光強度組合，就可以獲得所需要的顏色和亮度。利用地址選擇電路，即可決定PDP中每個放電單元的開和關，從而完成電光信號的轉換，就可以得到絢麗多彩的圖像。

等離子顯示器工作原理圖如圖1-11所示。

1.8.2　介質阻擋放電特征參量

介質阻擋放電的電流主要流過微放電通道，放電的主要基本過程也是發生在微放電中，因此了解微放電特征是了解介質阻擋放電的關鍵。典型的介質阻擋放電中微放電的主要特性列在表1-3中。這里工作氣體為空氣或氧氣，氣壓為106Pa，放電間隙為1～3mm。

注：1Td=10-17V·cm2。

1.8.2.1　介質阻擋放電的電場強度

根據圖1-8（b）的介質阻擋放電構型。兩個電極上分別覆蓋厚度為ld的介質薄片，放電氣隙為lg。當作用在電極上電壓為V時，介質通量密度是均勻的，于是有

V=2ldEd+lgEg　　（1-6）

而在介質和放電氣隙間的電場強度Ed和Eg是不同的。它們反比于相應的電容率εd和εg，即有

Ed/Eg=εg/εd　　（1-7）

因此，介質和氣隙上的電場強度分別為

　　 （1-8） 　　

和

　　 （1-9） 　　

從式（1-8）、式（1-9）可以看到，在介質阻擋放電中電場強度Eg和Ed可以大于電極間的平均電場強度。例如，放電空間充以空氣，其間隙lg=0.4cm，玻璃介質薄片厚度lg=0.3cm，而εg=1，εd=4。當電源電壓V為25kV時，則有Eg=45.5kV/cm，Ed=11.4kV/cm。由于空氣的擊穿場強為30kV/cm，若去掉玻璃介質薄片，空氣不會被擊穿，然而在上述條件下，空氣隙上的電場強度可達45.5kV/cm，會被擊穿。可見，由于玻璃片的插入，空氣承受的電場強度可以超過它的介質強度，因此在足夠外加電壓作用下，空氣會被擊穿而形成放電。隨著放電通道的形成，在氣隙間的電場強度會下降直到零，這時，玻璃片上的電場強度可升高達41.7kV/cm。

在有介質阻擋的氣體放電中流過空氣的電流實際上是通過玻璃的位移電流，而不是回路中的短路電流，顯然這里空氣的擊穿不會生成電弧放電而是形成貌似均勻的介質阻擋放電。

1.8.2.2　介質阻擋放電的等效電路

由于電極間介質層的存在，介質阻擋放電的工作電壓是交變的。根據交變電壓的頻率差異，放電的特性有所不同。通常可以分成低頻介質阻擋放電和高頻介質阻擋放電兩種，頻率為50Hz～10kHz，屬于低頻介質阻擋放電；頻率為100kHz以上，屬于高頻介質阻擋放電。這兩種介質阻擋放電的等效電路如圖1-12所示。

圖1-12中Cd是介質的電容，Cg是放電氣隙的電容，R是放電的等效電阻，Vop是電源電壓的峰值，V*和分別是低頻和高頻條件下回路中積分電流為零的電壓值。通常Cg遠小于Cd。

1.8.2.3　放電形態隨氣壓變化的規律

由于在低氣壓下平均自由程較長，電子容易在低電場中獲得較大的動能，因此在低氣壓下，很容易在較低的電壓下得到均勻放電的形態。但是隨著氣壓的升高，氣體分子間的平均自由程逐漸變短，如果讓電子獲得足夠的動能，碰撞氣體分子并使其電離，需要施加更高的電壓。高場強下由于空間電荷造成的電場畸變，電子崩的發展極不穩定，可能導致流注的形成。因此，隨著氣壓的升高，放電穩定性將逐漸降低，放電從均勻形態向不均勻形態發展。放電形態隨氣壓變化的規律是衡量材料對放電影響的基礎。因為介質阻擋放電的形態會隨著氣壓的變化而發生改變，而使用不同介質阻擋材料時，放電形態發生改變的臨界氣壓存在顯著的差異，因此以這些放電形態發生改變的臨界氣壓來衡量材料的好壞，認為能夠在越高氣壓得到均勻放電的介質阻擋材料越有利于均勻放電的形成。

為了準確地判斷放電形態發生變化的臨界氣壓，需要準確地判斷各種不同情況下介質阻擋放電的性質。如果僅憑肉眼觀察或者長曝光時間（如幾十毫秒）拍攝的放電圖像來判斷放電是否均勻是不嚴謹的，因為大氣壓下介質阻擋放電常常是由大量的時空隨機分布的放電細絲組成，這些細絲的壽命僅為10ns數量級，直徑約為0.1mm，如果整個放電的時間和空間內這些細絲足夠多并且無規則的分布，肉眼觀察和長時間曝光的放電圖像來看，可能非常貌似均勻放電。Okazak小組曾經在1993年提出區分輝光放電和絲狀放電的方法：若每個外加電壓半周期內僅有一個電流脈沖，并且李薩如（Lisajous）圖形為兩條平行斜線，則為輝光放電；若半周期內多個電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。該方法也不是完善的，因為半周期內氦氣APGD電流也可能為多個脈沖，而氮氣均勻湯森放電的電流卻只有一個寬脈沖。目前最為準確的判斷方法是使用曝光時間僅為10ns的ICCD相機拍攝的時間分辨的放電圖像，這樣低的時間分辨力足以準確地拍攝到放電中可能存在的細絲，以判斷放電是否均勻。法國的Massines小組和清華大學的王新新教授領導的小組都利用這樣的設備對放電性質進行了準確的確定。

當氣壓很低的時候（一般小于5000Pa），介質阻擋放電是明顯的輝光放電形態，放電非常明亮，而且均勻地覆蓋整個氣體間隙，在半個周期內的放電電流波形是一個或者幾個很寬的脈沖。輝光放電形態如圖1-13所示，典型輝光放電電壓和電流的波形如圖1-14所示。

在極低氣壓長間隙的直流輝光放電中可以看到明顯的分層現象，其中肉眼可以清晰分辨的有正柱區、法拉第暗區和明亮的陰極位降區等。Massines小組通過數值模擬、王新新教授通過ICCD拍攝都證實了大氣壓氦氣介質阻擋放電也具有相似的結構，是一種亞輝光放電狀態。

在實現輝光放電的基礎上升高氣壓到某一數值，放電形態和電流發生了一定變化。首先放電變得不那么明亮，放電的面積相比輝光放電狀態也有所減小。放電電流的脈寬相比輝光放電變得非常窄，而且每個半周期內一般只有一個電流脈沖。均勻放電的照片如圖1-15所示，電流、電壓波形如圖1-16所示。

從圖1-15中可以看出，放電的面積仍然很大，但是卻沒有覆蓋整個放電間隙。這種均勻放電的面積是隨氣壓的升高而減小的，但如果在某一氣壓下升高電壓，放電的面積也會增大。

如果這種電流波形只有一個脈沖的放電的本質是絲狀形態，那么不會出現肉眼看起來均勻的外觀。因為這種形態的放電在每個半周期內只存在一個電流脈沖，介質阻擋層之間的氣體間隙發生擊穿時，只能是在大面積的區域同時擊穿，這與大氣壓下得到的看似均勻的絲狀放電有著本質的區別。在大氣壓下得到的看似均勻的絲狀放電實際上是由大量的放電細絲組成，其電流波形的特點是在每個半周期內含有大量雜亂的脈沖波形，這些脈沖對應放電過程中的大量細絲狀放電，在時間和空間的分布上此起彼伏，由于細絲狀放電的壽命非常短（一般只有10ns），僅憑肉眼或曝光時間長的普通相機無法分辨。也就是說，這里用普通相機拍攝到的比較均勻的放電不可能是由多個流注匯集成的。將這種放電形態稱為均勻放電（湯森放電）。

當氣壓繼續升高到某一數值后，放電的現象出現新的變化。初始放電仍然是均勻的，但是稍微升高電壓，均勻放電的面積馬上縮小并迅速轉化為一個或幾個明顯跳動的絲狀放電形態。放電電流的波形也開始在半個周期內出現多個電流脈沖。均勻放電向絲狀放電轉化的照片如圖1-17所示，放電的電流、電壓波形如圖1-18所示。這樣的放電隨電壓發生明顯改變的現象在一定氣壓范圍內存在，是均勻放電和絲狀放電共存的情況。

繼續升高氣壓到某一數值后，初始放電不再是均勻的形態，而是明顯的絲狀放電，放電細絲非常不穩定，大量絲狀放電無規則地跳動，可以聽到劇烈的放電聲音。放電電流的波形非常復雜，由多個非常窄的脈沖組成。這個時候，即使再降低電壓，也不能得到均勻放電的形態，放電只能是絲狀形態。無論是外觀和電流都可以準確地判斷放電的形態已經完全轉化為絲狀放電。劇烈絲狀放電的照片如圖1-19所示，放電的電流、電壓波形如圖1-20所示。

1.8.2.4　不同材料放電特性的比較

（1）氧化鋁陶瓷

當使用1mm厚的氧化鋁陶瓷作為介質阻擋材料時，當氣壓升高到6.2kPa時，開始出現均勻放電和絲狀放電共存的現象；當氣壓升高到18kPa時，均勻放電的形態完全消失，放電只能以絲狀放電的形態存在。

（2）石英

當使用1mm厚的石英作為介質阻擋材料時，存在均勻放電的氣壓范圍比使用氧化鋁陶瓷時有所增加，氣壓升至9.8kPa時開始出現均勻放電和絲狀放電共存的現象，而均勻放電形態完全消失的臨界氣壓是22kPa。

（3）聚丙烯

使用1mm厚度的聚丙烯作為介質阻擋材料時，絲狀放電出現的氣壓是19kPa，均勻放電不再出現的氣壓是30kPa。

（4）聚四氟乙烯

使用1mm聚四氟乙烯時，均勻放電的氣壓范圍進一步提高，均勻放電和絲狀放電共存的現象出現的氣壓是25kPa，均勻放電存在的最高氣壓是32kPa。

（5）硅橡膠

硅橡膠材料能夠得到的均勻放電的氣壓范圍最大，出現絲狀放電和均勻放電形態消失的臨界氣壓分別是34kPa和40kPa。

選用的不同介質阻擋材料中，有3種是高分子聚合物屬于有機材料，有2種屬于無機材料。從試驗中可以得到一個明顯的結論是，這3種有機材料作為阻擋介質都比石英和氧化鋁兩種無機材料更容易得到均勻放電。這3種有機材料都屬于駐極體材料，其中聚四氟乙烯是工業上最常用的駐極體材料。駐極體是指那些具有長期儲存空間和極化電荷能力的固體電介質材料。石英和氧化鋁是非駐極體材料，存儲電荷的能力有限。因此，很有可能是表面電荷的特性決定了介質阻擋材料是否更利于得到均勻放電。Golubovskii和方志都曾經提出，某些特殊的介質阻擋材料具有極強的保存電荷能力，可以一次放電后將原來在電場作用下進入材料淺表層的大量電子保存起來，當進入下個半周期，電場極性發生偏轉后，這些電子能夠被釋放出來成為種子電子。低氣壓放電的結果很有可能支持這樣的說法。從前面的試驗結果可以發現，使用同一種材料時，厚度越薄，越容易得到均勻放電。目前關于介質阻擋材料厚度對放電的影響，一般都局限于對電流的限制作用上。在以往低氣壓放電的研究成果中，限制電流使輝光放電不容易向電弧放電發展。這似乎與試驗結論相矛盾，但是這些研究采用的氣壓范圍都在幾百帕以內，遠遠小于試驗研究的氣壓。試驗氣壓一般都在10kPa或更高的氣壓范圍，與過去研究的極低氣壓下的放電特性有著很大的區別。對于聚四氟乙烯和硅橡膠這樣的聚合物材料，如厚度發生改變，材料的等效電容會發生改變。薄的材料等效電容量大，會在表面積累更多的電荷。這可能是材料厚度影響放電特性的原因。

1.8.2.5　介質阻擋放電的功率

像其他類型放電一樣，介質阻擋放電的功率是它的一個重要參量。由于介質阻擋放電的電流、電壓間的相位失調，它的功率計算和測量是比較復雜的。

根據實驗測得的放電伏安特性可以計算介質阻擋放電的功率。

　　 （1-10） 　　

式中　Vmin——放電啟動時要求的最小外界作用電壓。

式（1-10）是低頻介質阻擋放電的重要功率公式，它對各種電壓波形都適用。式中所有電學量的數值都是可以測量的，因此該公式可以用來計算介質阻擋放電的功率數值。

1.8.2.6　介質阻擋放電的李薩如圖形

在交變電場作用下放電功率測量比較困難，因為放電的電流、電壓間位相差難以確定，尤其是在強的介質阻擋放電中由此引起的功率誤差相當大。利用放電電壓-電荷李薩如圖形分析介質阻擋放電的功率，對正確確定放電功率很有幫助。

在放電回路中加進一個測量電容CM，用以測量放電輸送的電荷量Q，如圖1-21所示。

若把測量電容上的電壓VM和作用電壓V分別在示波器的X-Y軸上就可以得到一條閉合曲線，實際上VM是正比于測量電容上的電荷量，所以它就是理想的電壓-電荷李薩如圖形，閉合曲線內的面積正比于一個周期內消耗在放電中的能量。在放電作用的時間內，介質阻擋放電的放電電壓Vd幾乎是不變的，那么電壓-電荷李薩如圖形如圖1-22所示。

注：圖中①～③表示三個三角形，是為計算圖形面積使用

考慮到平行四邊形的面積是每一個周期中放電的能量，則有放電功率為

　　 （1-11） 　　

此式與式（1-10）是一致的，這是低頻介質阻擋放電的功率表式，可見利用介質阻擋放電的電壓——電荷李薩如圖形可以很有效地測量到放電的功率。

1.8.2.7　功率因子

氣體放電的功率因子F是一個重要的電技術參量，其意義為

　　 （1-12） 　　

式中　P——放電功率；

V有效，I有效——放電的有效電壓和電流。

放電的功率因子決定著電源能夠提供的有效功率的百分比。

在介質阻擋放電中，放電發生以前放電裝置猶如一個電容負載，所以功率因子通常在0.2～0.8之間變化，其具體數值取決于Cd/Cg、V/Vd以及作用電壓的波形。因此在設計介質阻擋放電的電源時，需要考慮在各種工作條件下電源的功率因子。