共面介质阻挡放电中阳极条纹

共面介质阻挡放电中阳极条纹PIC/MCC研究何锋，冯硕，欧阳吉庭，缪劲松（北京理工大学理学院物理系北京100081 ）摘要：本文采用粒子网格-蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）方法对共面介质阻挡放电(DBD)的放电过程进行了研究. 通过模拟获得了放电过程中空间电荷、电子能量和激发态粒子的时间空间分布。

模拟结果表明，在共面DBD的暂态放电中，阳极条纹的形成和发展是电子的非局域效应和阳极介质层表面电荷积累共同作用的结果。

电子非局域效应使得在空间形成局域的电离和激发，产生发光条纹，而介质层表面电荷积累形成新的离子条纹和条纹电场，从而发展新的条纹。

关键词：介质阻挡放电; 阳极条纹; PIC/MCC1. 引言条纹是气体放电中的一个重要现象，其特征为在正柱区沿电场方向出现强弱相间的周期性发光条纹[1]。

很早人们在低气压惰性气体（< 1torr）直流辉光放电中观察到了条纹现象。

直流放电中的条纹有移动条纹和固定条纹两种。

固定条纹可以在放电中直接观察，一些分子气体（如He，N2，O2）及惰性气体等的放电中可出现这种条纹。

移动条纹通常存在较高的速度，大约几十到几千m·s-1的速度，一般不能被直接观察到。

作为等离子体非线性特性的表现形式，条纹一直是非线性的一个重要研究对象[2]。

直流放电中的条纹通常被解释为一种电离波或离子声波[2-5]。

在弱放电条件下（电流<10mA），这种波的产生机理被认为是由于气体分子分步电离导致的放电不稳定性[2]。

在弱电离过程中电子在电场中的能量平衡主要由非弹性碰撞控制，包括与气体分子的激发和电离。

发生分步电离的粒子具有较高的激发阈值εexc和较低的电离阈值εi。

电子从电场获得能量，发生激发碰撞损失能量，激发态粒子进一步与低能电子或其他激发态粒子发生碰撞，即可发生电离。

以均匀电场为例，电子通过一定的距离λ，获得的能量足以激发原子，因此产生条纹必须满足λε=εexc/eE。

然而，这种控制机制不足以解释气体放电中各种条纹的形成，移动等现象.近来，人们在介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）中也观察到了条纹现象。

如在等离子体显示板（PDP）单元的微放电过程中，出现一种阳极条纹现象。

对等离子体显示屏中的条纹现象，已经存在不少实验研究工作。

如S. Zhang[6], M. Sawa[7], Th. Callegari[8], J. Ouyang[9]等观测PDP 放电时，都获得了阳极条纹现象。

近来人们更多地倾向于利用数值模拟来研究DBD条纹形成的原因。

Iza等通过模拟认为表面电荷作为条纹形成的必要因素[10]。

Shvydky等则认为PDP中阳极条纹的形成与阴极电离波的传播无关[11]。

本文主要通过PIC/MCC方法对介质阻挡放电过程进行模拟，获取放电过程中条纹的发展演化过程及此过程中物理量的变化。

分析了共面结构中条纹的产生与电荷、电场的关系，并研究了条纹产生过程中电子能量的变化情况。

2. 模拟模型及方法本文所模拟的结构如图1所示，该结构为一个PDP单元的沿着寻址电极的剖面图. 整个结构分由上下两层介质，介质层间为放电空间。

介质外侧制作有寻址电极和共面电极，在共面电极的介质层内侧表面制作有一层0.5 m MgO，用以提高二次电子发射系数，降低放电电压. 寻址电极介质层上覆盖有荧光粉，转换真空紫外线到可见光. 单元的长度（即寻址电极长度）L = 900 μm，两介质层间的距离H = 100 μm. 共面电极的宽度w =300μm，两电极之间的间距d = 80 μm. 对两介质层的厚度，由于MgO很薄，厚度不需要考虑，而寻址电极上的介质层和荧光粉可视为一层介质，因此模拟中设两介质层厚度均为e=30 μm，相对介电常数εr=8.放电气体为纯Ne或Ne/Xe的混合气体. Ne离子和Xe 离子在MgO 表面的二次电子发射系数分为0.5和0.05PIC 方法的基本方程为描述电磁场的Maxwell 方程和描述带电粒子运动的Newton- Lorentz 方程. 由于所考虑的DBD 放电较弱，电流比较小，因此不考虑磁场，而只考虑静电场作用。

空间的电场分布由泊松方程给出[12]i i iq n ε∇=∑E(1)其中，ε为介电常数，E 分别为电场强度，n i 为第i 种带电粒子的密度，q i 第i 种带电粒子的电荷. 粒子的运动方程为d d dd d d m m q t t t==r v E(2) 其中，m 、r 、v 分别为粒子的质量、位移和速度.模拟过程中，由若干具有相同位置和速度的实际粒子组成构成宏粒子，对宏粒子的运动方程进行求解，获得位置和运动速度. 在对气体放电过程，采用蒙特卡罗碰撞（Monte Carlo Collision ，MCC ）来模拟带电粒子、气体原子之间的碰撞，碰撞截面数据取自文献[13]。

考虑到实际放电板中多个单元连续排列，因此在模拟中，对结构左右两侧采用对称边界条件. 对于上下两个边界，在求解泊松时非电极的介质部分也采用对称边界条件，而电极处则固定为电极所施加的电位.由于介质层的阻隔，DBD 的放电会由于所产生的电荷积累到介质层表面而很快熄灭，因此DBD 需要由交流电源或脉冲电源来驱动. 对交流驱动，当施加的电压反向时，外加电压V S 叠加介质层表面积累的壁电荷产生的电压V W 为气体空间总的放电电压V g . 较高电压下的介质阻挡放电，等离子体沿整个电极扩展至电极外侧，介质层表面的壁电荷近似均匀分布[14]. 因此本文在PIC －MCC 模拟中不考虑壁电荷的分布，而把两共面电极的电压变为实际外加电压的两倍，简化计算和初始化过程。

模拟中初始的正负带电粒子密度为107cm -3，时间步长为10-14s. 在2.66GHz PC 机上模拟一个电压脉冲的放电过程耗时大约为100小时. 3. 模拟结果与讨论 3.1 放电过程我们模拟了Ne+4%Xe 的共面介质阻挡放电条纹的产生和维持，气体压强为500Torr 。

两共面电极所加的电位为＋/－220V ，寻址电极上的电位为0V . 模拟中考虑电子与中性粒子的弹性碰撞、电离和激发三种碰撞过程。

图2和图3分别给出了模拟所得到的电位和电子密度空间分布随时间的变化情况. 从图中可以看出，共面放电过程主要发生在共面两个电极之间。

主要是寻址电极上施加的电位为两共面电极电位差的中点值，因此在寻址电极与共面电极之间电压较小(如220V). 而共面电极之间存在强电场的情况下，电子将主要沿着电力线在两共面电极间运动，因此共面放电可以迅速发展起来，产生空间电荷改变电位分布，从而抑制寻址－共面电极之间的对向放电.由于共面电极间隙存在较强电场，共面放电首先开始于共面间隙内侧. 在放电初期，阴极发射的二次电子沿放电路径繁流，带电粒子密度随电子运动距离呈指数增加，因此在阳极前形成最大带电粒子密度. 由于电子的迁移率大，阳极前的电子立即积累到介质层表面，成为壁电荷，而阳极前的正离子运动速度较慢，因此阳机前的正电荷逐渐在空间积累. 当空间正离子密度达到1012cm -3量级时，正电荷载阳极介质层前产生的电场达到甚至高于外加电压所产生的电位，在阳极介质层前形成一个高电位区域，即虚阳极，如图2(a)所示。

此时，部分电子由于虚阳极的作用不再向阳极介质层表面运动，而是逐渐积累于阳极介质层前，如图3(a)所示. 虚阳极与阴极之间构成阴极位降区. 虚阳极的出现增强了它和阴极之间的电场，使电子电离率增大，二次电子在到达虚阳极前即可形成密度更高的等离子体. 因此虚阳极不断向阴极移动，而阴极位降区电场和放电都进一步增强，如图2(b)、3(b)所示. 当虚阳极收缩到阴极附近，阴极介质层表面积累正电荷，壁电荷所形成的电场抵消外加电场，最后使得阴极位降区内的电场无法保证放电自持的进行，虚阳极与阴极内侧的电离过程将逐渐减弱.由于阴极外侧的介质层表面没有积累壁电荷，处于图 1 模拟的单元结构示意图ee较低电位，因此阴极外侧与虚阳极之间存在足够的电位差，放电向阴极外侧的介质层表面不断扩展，直至放电发展到阴极的边缘，放电熄灭，如图2(c)-(e)，图3(c)-(e)所示. 3.2条纹形成当虚阳极形成时，由于阳极内侧介质层表面负电荷的积累，虚阳极积累正电荷，使得虚阳极电位高于阳极内侧介质层表面电位，虚阳极和介质层表面形成一个势阱(图2 (a)). 能量较低的电子被束缚在势阱内，即图3(a).虚阳极、外加电场、阳极内侧介质层表面负电荷共同形成一个水平方向的电场(图2 (a))，少量脱离势阱束缚的电子，沿电场向电位更高的阳极外侧介质层表面运动. 脱离势阱的电子能量较低，在运动到一定距离后，从电场获得足够的能量，才电离和激发中性粒子，从而形成第一个离子和激发态粒子(即发光)条纹，如图3(b)所示. 此时碰撞所产生的电子在电场作用下最后都积累到介质层表面，因此并电子条纹并未形成(图3(b)). 当第一个条纹处离子密度足够大时，再次形成势阱，如图2(c)所示，电子将被束缚与势阱内(图3(c)). 离子、外加电场、阳极介质层表面电荷再次形成一个水平方向的电场(图2 (c))，使脱离第一个条纹势阱的电子进一步向阳极外侧运动，阳极表面等离子体继续扩展，直至阳极的边缘（阳极边缘以外没有足够的电压使气体激发和电离）. 同时发光条纹和带电粒子条纹不断出现，如图3(e)、图4(e). 3.3 电子能量图5给出了放电过程中电子能量分布随时间的变化情况。

在放电初始阶段，空间电荷对电场影响较小，因此各处电子能量分布较为均匀(图5(a)). 当虚阳极向阴极收缩后，虚阳极与阴极之间的电场增强，因此从阴极发射出来的电子获得较大能量，经过与中性粒子的电离和激发碰撞后，电子逐渐损失能量，当电子进入虚阳极时，电子平均能量非常低，表明绝大部分电子损失掉其从电场获得的能量(图5(b)). 在虚阳极和阳极介质层之间的电场很弱，因此这一区域内的电子仍处于很低的平均能量，由此可见，经过阴极位降区损失能量的电子进图 3 电子密度空间分布的时间演化 (a) t =55ns, (b) t =65 ns, (c) t =68ns,(d) t =70ns, (e) t=77ns图 2 电子密度空间分布的时间演化(a) t =55ns, (b) t =65 ns, (c) t =68ns,(d) t =70ns, (e) t =77ns入虚阳极后很少获得能量. 脱离虚阳极势阱束缚的电子平均能量小于1eV ，在阳极的弱电场中， 需要经过一段距离，才能从电场获得能量进行电离和激发图5(b).因此形成有间距的发光条纹. 在每个条纹中，电子由非弹性碰撞损失其能量，平均能量降低，形成新的条纹需要足够的距离使电子获得能量(图5(c)-(e)). 因此条纹的间距取决于阳极介质层表面的弱电场和中性粒子电离电位. 4. 结论本文采用PIC/MCC 方法对共面介质阻挡放电中的条纹现象进行了研究. 通过模拟分析了放电和条纹的形成发展过程。