1.8　介质阻挡放电

介质阻挡放电是有绝缘介质置于放电空间的一种气体放电。通常情况下，介质覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里。介质阻挡放电可以在大气压产生低温等离子体，在环境保护、材料处理、新光源开发等工业领域具有广泛的应用前景。

1.8.1　介质阻挡放电基本概念

1.8.1.1　介质阻挡放电基本原理

典型的介质阻挡放电的电极结构如图1-8所示。电极和间隙结构可以是平面形的。也可以是同轴圆柱形的。图1-8（a）是很常用的放电电极构型，可以用来制造臭氧发生器，其特点是结构简单，而且可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉。图1-8（b）的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子体直接与金属电极接触，对于具有腐蚀性的气体或高纯度等离子体，这种构型具有独特的优点。图1-8（c）可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。在电极间放置介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，而且能够形成通常大气压强下的稳定的气体放电。

介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式，其工作气压范围很宽，在大气压下产生稳定的低温等离子体。在臭氧生成、材料表面改性、杀菌消毒、新型光源、薄膜沉积、电磁波屏蔽、环境保护等工业领域具有广泛的应用前景。

当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在很高的气压下也会被击穿而形成介质阻挡放电。介质阻挡放电通常表现为均匀、漫散和稳定的放电，貌似低气压下的辉光放电，但它是由大量细微的快脉放电通道构成的。通常放电空间的气体压强可达105Pa或更高，所以这种放电属于高气压下的非热平衡放电。这种放电也称为无声放电，因为它不像空气中的火花放电那样会发出击穿响声。

当电极上施加正弦波电压时，介质阻挡放电的微放电电流如图1-9所示。介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作，常用的工作条件是气压为104～106Pa、电源工作频率为50Hz～1MHz介质阻挡放电可以用频率从50Hz级的电源来启动。在大气压强条件下这种气体放电呈现微通道的放电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成。电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，这种电流细丝就称为微放电，每个微放电的时间过程都非常短促，寿命不到10ns，而电流密度却可高达0.1A/cm2～1kA/cm2。圆柱状的细丝半径约为0.1mm。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈明亮的斑点，其线径约几毫米。透过透明电极拍摄到的微放电通道在介质表面上形成的斑点照片如图1-10所示。放电条件如电源电压、频率、放电间隙宽度、放电气体组成、介质的材料及厚度等的不同会导致放电通道微观及宏观上的变化。图1-10中的两张照片就是在不同的放电条件下拍摄到的。

研究表明，丝状放电并不是介质阻挡放电在大气压下的唯一表现形式，在一定条件下介质阻挡放电也可以表现为均匀、稳定的无细丝出现的放电模式，被称为大气压均匀介质阻挡放电或大气压辉光放电。1988年，日本的Kanazawa等报道了一种在大气压惰性气体中产生均匀稳定介质阻挡放电的方法，随后这一课题受到世界各国研究者的广泛关注。一些研究者先后在氦气、氩气、氖气、氮气等气体以及这些气体的混合气体中实现了均匀介质阻挡放电，并通过电学参数测量、发光图像拍摄和数值模拟等手段研究了它们的特性。然而这些研究主要集中在大气压惰性气体和氮气中，其中惰性气体的价格昂贵，而氮气作为工作气体时，需要密闭的工作环境。因此，最适合大规模工业应用的便是空气中实现的均匀介质阻挡放电。近年来空气中均匀介质阻挡放电的产生及特性研究成为热点。

介质阻挡放电的物理过程通常分为放电的击穿、电荷的传递、分子或原子的激发三个阶段。放电的击穿发生在纳秒量级，放电的击穿和电荷的传递过程可以形成微放电，在微放电形成的初期主要是电子在外加电场的作用下获得能量，与周围的气体分子发生碰撞，使气体分子激发电离，从而生成更多的电子，引起电子雪崩，形成微放电通道。

在微放电的后期即伴随着大量的化学反应。在微放电的后期开始有部分原子或分子发生了激发，形成了一些离子、自由基等活性粒子。部分处于激发态的电子具有较高能量，这些电子可以通过碰撞传递能量并激发分子或原子、准分子等粒子。这使得在通常条件下很难得到的自由基、离子、激发态分子或原子、准分子等粒子能在等离子体中大量存在。

微放电产生的物理过程可以如下描述：电源电压在电介质的电容耦合下在放电区域形成空间电场，在此区域内的空间电子获得电场能量而加速运动，在运动过程中与周围的气体分子发生非弹性碰撞。同时将能量传递给气体分子，被激励后的气体分子发生电子雪崩，同时产生相当数量的空间电荷，这些电荷聚集在雪崩头部而产生本征电场，这个电场和外电场叠加后共同对电子产生影响，高的局部本征电场使雪崩中的电子进一步加速向阳极逃逸，它们的逃逸引起击穿通道向阳极传播。一旦这部分空间电荷到达阳极，在那里建立的电场会向阴极方向返回，有一个更强的电场波向阴极方向传播，于是在放电空间形成来回往返的电场波。在电场波的传播过程中，原子和分子进一步得到电离，并激励起向阴极方向传播的电子反向波。这样的导电通道能非常快地造成气体犹如火花放电的流光击穿。在形成的等离子体中含有高能电子、离子、激发态分子及激发态原子等，这些粒子构成了对材料表面改性的能量基础。

1.8.1.2　介质阻挡放电的应用

由于介质阻挡放电等离子体可以在大气压或高于大气压的条件下产生。不需要真空设备就能在较低的温度下获得化学反应所需的活性粒子，具有特殊的光、热、声、电等物理过程及化学过程，因此已经在臭氧合成、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、大面积等离子平板显示器、污染控制等领域获得了广泛的应用。

介质阻挡放电已经成功应用于工业臭氧生产大约有100年。近十几年特别是近几年，介质阻挡放电在国内许多领域进行了广泛的应用，各个领域对这种放电方式的研究也方兴未艾。

（1）臭氧合成

臭氧是一种十分重要的化工原料，它的氧化性仅次于氟，利用介质阻挡放电产生臭氧是非热平衡等离子体的一种重要应用。自20世纪法国和俄罗斯首先建成了大型的臭氧发生器用作饮用水处理以来，至今全世界已经有大约2000个饮用水处理工厂采用介质阻挡放电臭氧发生装置。原理为在外加交流高电压的作用下，放电区域中的高能电子轰击氧分子使其分解氧原子。氧原子与氧分子在第三方粒子的参与下碰撞聚合成臭氧。同时，氧原子、高能粒子也同臭氧反应形成氧气。

臭氧发生器多种多样，从装置的几何结构来看，可分为3种基本形式。

①圆管式臭氧发生器　这种发生器一般使用长度为1～2m的圆形玻璃管作为电介质阻挡层，在玻璃管的内外两侧安装同心的环状电极，玻璃管外侧与外电极之间留有1～2mm的环形气隙，放电电极间通常施加激励频率为50～1000Hz、激励电压为5～20kV的交流电，臭氧的合成就在这个环形气隙内进行，这也是目前工业臭氧发生器的主要形式。

②平板式臭氧发生器　与圆管式臭氧发生器不同，该发生器采用平板电极替代了管式电极，在电极的一侧或两侧用喷涂或粘贴的方法插入厚度为0.2～1.0mm的非玻璃电介质薄层，并留0.1～0.5mm的放电间隙。放电电极间通常施加的激励电压为1～10kV，激励频率为5～10kHz，臭氧的合成同样在放电间隙内完成。由于这种形式的臭氧发生器能够获得高浓度臭氧，同时又具有很高的效率，因此在臭氧发生领域具有极大的发展前途。

③沿面臭氧发生器　该发生器分为圆管式和平板式两种，其特点是两放电电极分别涂覆在电介质的两个表面，电介质的厚度一般为1.0mm，材料通常为氧化铝陶瓷。电源激励电压一般为5～10kV，电源激励频率为5～15kHz，臭氧的合成发生在高压电极的表面。该发生器的结构比较简单，便于散热，但存在金属电极损耗问题，一般仅在小型臭氧发生器中使用。控制和优化放电条件，对臭氧的生成效率具有重要的影响。在供气成分和能量密度一定的情况下，可以通过改变气压、放电空间的宽度、介质的性质以及供气系统等参数来优化臭氧的生成条件。

（2）高功率CO2激光器

在介质阻挡放电臭氧发生器研究的基础上，亚吉（Yagi）和他的合作者们研制出了用介质阻挡放电激励的CO2激光器。这是一种高能量的红外激光器（10.6μm），可用于精细焊接和厚金属板切割。不久这种激光器就得到了大规模的商业应用。

介质阻挡放电之所以能够用来激励CO2激光器是与它独特的性质分不开的。介质阻挡放电中的电介质有效地限制了放电电流的无限增长，避免了在高气压下形成电弧放电或火花放电，起到了镇流作用，从而提高了放电的稳定性，提高了光束输出质量，而且省去了镇流电阻，降低了激光器能耗，提高了其运行效率。同时电介质也避免了阴极溅射污染工作气体，提高了激光器的寿命。再者，介质阻挡放电工作在高频电源下，可以通过调整高频时控开关器件来调制激光器功率，这样使激光器装置结构更加紧凑，便于应用。由此可见，介质阻挡放电激励大功率CO2激光器远远优于传统CO2激光器，目前已形成一种明显的发展趋势。

（3）紫外准分子辐射

准分子是一种不稳定的分子，在纳秒期间即可衰变到基态，而基态是排斥态，其激发能级以紫外和真空紫外辐射的方式释放，常见的准分子为惰性气体准分子、惰性气体和卤族元素的双原子或三原子准分子。由于准分子的形成是一种三体碰撞过程，因此多半在高气压放电条件下形成，常用的激励手段是快脉冲放电和粒子束激励。

近些年来，随着介质阻挡放电的发展，利用其驱动的紫外准分子辐射光源得到了进一步的研究。它们能发射窄带辐射，通过选择不同的放电气体成分，其波长可覆盖真空紫外、紫外和可见光等光谱区，且不产生辐射的吸收，是一种高效率、高强度的单色光源。

由于紫外准分子辐射光子能量较高，紫外准分子辐射光源已经在工业中得到一些应用。

XeCl*或XeCl*和KrCl*结合使用的紫外灯被用在打印机上，能实现高速打印，是一种比较好的打印机光源。的真空紫外辐射光子能量是7.2eV，这足可以打破大多数分子的化学键。它可以实现在氧气或空气环境中生成O（3P）和O（1D）等原子，在水或潮湿的空气中生成·OH。目前，显示器基板清洗以及半导体工艺中都用氙紫外光源做紫外清洗。清洗中实际起作用的是氧原子，通过氧原子的作用除掉化学作用时残留的烃类化合物，最终产物是CO、CO2以及H2O等物质。目前，准分子紫外光源又一项新的应用是污染控制和水处理。总之，紫外准分子辐射能产生高能量光子，可直接作用于化学键，导致各种化学反应，在光化学、光物理方面具有明显实用价值，目前主要应用于表面改性、薄膜淀积、化学合成与分解等领域。其次在环境保护与污染控制等领域，它也引起人们越来越多的兴趣。紫外准分子光以其独特的光谱特性、极高的能量密度以及简易灵活的结构，必将逐渐取代传统的光源，具有十分广阔的应用前景。

（4）材料表面改性

材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一，近年来随着等离子体技术的不断发展，利用等离子体进行表面改性逐渐成为研究的热点。所谓等离子体表面改性就是利用等离子体中产生的活性粒子（如电子、离子、亚稳态原子和分子、自由基、紫外光子等）对材料表面进行处理，如增加或去除材料表面吸附的几个单层（原子或分子）；涉及表面的化学反应；增减表面电荷；改变材料表面最外几个单层的物理或化学状态。等离子体中存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面撞击时，将能量传递给材料表面的原子或分子，产生一系列物理、化学过程。一些粒子还会注入材料表面，引起级联碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化或非晶化，从而改变材料的表面性能，一般可提高材料表面的强度、硬度、耐磨性、吸湿性、抗静电性、染色性、粘接性、印刷性或抗腐蚀性。

传统的等离子体表面改性，一般利用低气压下辉光放电产生的低温等离子体而进行。对于大规模工业生产而言，利用低气压辉光放电进行处理有两个很难克服的缺点：一是放电处于低气压环境，且需要维护运行的真空系统，生产成本昂贵；二是工业化处理过程中需要不断打开真空室放进样品，取出成品，然后再重新抽真空，充入工作气体并放电，因此整个处理过程烦琐复杂，难以连续生产。因此实现常压下等离子体材料表面改性是各国科学家关注的热点。介质阻挡放电能够在常压下产生具有高电子能量的非平衡等离子体，十分适合材料的表面改性，受到国内外研究人员的普遍关注。目前，用介质阻挡放电对材料进行表面改性，已经在工业生产中获得一定的应用。但是，介质阻挡放电等离子体在常压下一般表现为在时间上和放电空间中随机分布的大量具有高能量密度的细丝状放电电流形式，使其难以对材料表面进行均匀处理，限制了工业应用。

近年来的研究表明，细丝状放电并不是介质阻挡放电在常压下的唯一表现形式，在一定的条件下，常压介质阻挡放电可以表现为均匀稳定的类似低气压辉光放电的形式，称为大气压下辉光放电。自1988年以来，各国研究人员分别采用不同电极结构介质阻挡放电的方法，在一些气体与气体混合物中建立了大气压下辉光放电，并尝试用其进行材料表面改性，取得了一定的进展。法国学者用氮气和氦气中大气压下辉光放电和介质阻挡放电对聚丙烯薄膜表面进行改性，美国研究人员用氩气、氦气和氧气中大气压下辉光放电对聚丙烯纤维进行亲水性改性，均获得了良好的效果。

（5）等离子体平板显示器

等离子体平板显示器（plasma display panel，PDP）是利用气体放电发光进行显示的平面显示板。其具有厚度薄、质量小、大平面、大视角、响应快、具存储性、受磁场影响小、不需磁屏蔽等优点。PDP可应用在30～70in的各个显示领域。特别是可作为壁挂式高清晰电视进入家庭。因此已成为全球各大公司竞争的重点。等离子平面显示器从某种意义上说，也是一种介质阻挡放电光源。或者说它是由大量的微型介质阻挡放电光源组成的器件。事实上，这种显示器的每一个像素都是由三个介质阻挡放电单元组成，它们分别由介质阻挡放电产生的紫外辐射激发荧光粉产生红、绿、蓝三色光。通过调制每个像素点所发出的二基色光的不同发光强度组合，就可以获得所需要的颜色和亮度。利用地址选择电路，即可决定PDP中每个放电单元的开和关，从而完成电光信号的转换，就可以得到绚丽多彩的图像。

等离子显示器工作原理图如图1-11所示。

1.8.2　介质阻挡放电特征参量

介质阻挡放电的电流主要流过微放电通道，放电的主要基本过程也是发生在微放电中，因此了解微放电特征是了解介质阻挡放电的关键。典型的介质阻挡放电中微放电的主要特性列在表1-3中。这里工作气体为空气或氧气，气压为106Pa，放电间隙为1～3mm。

注：1Td=10-17V·cm2。

1.8.2.1　介质阻挡放电的电场强度

根据图1-8（b）的介质阻挡放电构型。两个电极上分别覆盖厚度为ld的介质薄片，放电气隙为lg。当作用在电极上电压为V时，介质通量密度是均匀的，于是有

V=2ldEd+lgEg　　（1-6）

而在介质和放电气隙间的电场强度Ed和Eg是不同的。它们反比于相应的电容率εd和εg，即有

Ed/Eg=εg/εd　　（1-7）

因此，介质和气隙上的电场强度分别为

　　 （1-8） 　　

和

　　 （1-9） 　　

从式（1-8）、式（1-9）可以看到，在介质阻挡放电中电场强度Eg和Ed可以大于电极间的平均电场强度。例如，放电空间充以空气，其间隙lg=0.4cm，玻璃介质薄片厚度lg=0.3cm，而εg=1，εd=4。当电源电压V为25kV时，则有Eg=45.5kV/cm，Ed=11.4kV/cm。由于空气的击穿场强为30kV/cm，若去掉玻璃介质薄片，空气不会被击穿，然而在上述条件下，空气隙上的电场强度可达45.5kV/cm，会被击穿。可见，由于玻璃片的插入，空气承受的电场强度可以超过它的介质强度，因此在足够外加电压作用下，空气会被击穿而形成放电。随着放电通道的形成，在气隙间的电场强度会下降直到零，这时，玻璃片上的电场强度可升高达41.7kV/cm。

在有介质阻挡的气体放电中流过空气的电流实际上是通过玻璃的位移电流，而不是回路中的短路电流，显然这里空气的击穿不会生成电弧放电而是形成貌似均匀的介质阻挡放电。

1.8.2.2　介质阻挡放电的等效电路

由于电极间介质层的存在，介质阻挡放电的工作电压是交变的。根据交变电压的频率差异，放电的特性有所不同。通常可以分成低频介质阻挡放电和高频介质阻挡放电两种，频率为50Hz～10kHz，属于低频介质阻挡放电；频率为100kHz以上，属于高频介质阻挡放电。这两种介质阻挡放电的等效电路如图1-12所示。

图1-12中Cd是介质的电容，Cg是放电气隙的电容，R是放电的等效电阻，Vop是电源电压的峰值，V*和分别是低频和高频条件下回路中积分电流为零的电压值。通常Cg远小于Cd。

1.8.2.3　放电形态随气压变化的规律

由于在低气压下平均自由程较长，电子容易在低电场中获得较大的动能，因此在低气压下，很容易在较低的电压下得到均匀放电的形态。但是随着气压的升高，气体分子间的平均自由程逐渐变短，如果让电子获得足够的动能，碰撞气体分子并使其电离，需要施加更高的电压。高场强下由于空间电荷造成的电场畸变，电子崩的发展极不稳定，可能导致流注的形成。因此，随着气压的升高，放电稳定性将逐渐降低，放电从均匀形态向不均匀形态发展。放电形态随气压变化的规律是衡量材料对放电影响的基础。因为介质阻挡放电的形态会随着气压的变化而发生改变，而使用不同介质阻挡材料时，放电形态发生改变的临界气压存在显著的差异，因此以这些放电形态发生改变的临界气压来衡量材料的好坏，认为能够在越高气压得到均匀放电的介质阻挡材料越有利于均匀放电的形成。

为了准确地判断放电形态发生变化的临界气压，需要准确地判断各种不同情况下介质阻挡放电的性质。如果仅凭肉眼观察或者长曝光时间（如几十毫秒）拍摄的放电图像来判断放电是否均匀是不严谨的，因为大气压下介质阻挡放电常常是由大量的时空随机分布的放电细丝组成，这些细丝的寿命仅为10ns数量级，直径约为0.1mm，如果整个放电的时间和空间内这些细丝足够多并且无规则的分布，肉眼观察和长时间曝光的放电图像来看，可能非常貌似均匀放电。Okazak小组曾经在1993年提出区分辉光放电和丝状放电的方法：若每个外加电压半周期内仅有一个电流脉冲，并且李萨如（Lisajous）图形为两条平行斜线，则为辉光放电；若半周期内多个电流脉冲，并且Lisajous图形为斜平行四边形，则为丝状放电。该方法也不是完善的，因为半周期内氦气APGD电流也可能为多个脉冲，而氮气均匀汤森放电的电流却只有一个宽脉冲。目前最为准确的判断方法是使用曝光时间仅为10ns的ICCD相机拍摄的时间分辨的放电图像，这样低的时间分辨力足以准确地拍摄到放电中可能存在的细丝，以判断放电是否均匀。法国的Massines小组和清华大学的王新新教授领导的小组都利用这样的设备对放电性质进行了准确的确定。

当气压很低的时候（一般小于5000Pa），介质阻挡放电是明显的辉光放电形态，放电非常明亮，而且均匀地覆盖整个气体间隙，在半个周期内的放电电流波形是一个或者几个很宽的脉冲。辉光放电形态如图1-13所示，典型辉光放电电压和电流的波形如图1-14所示。

在极低气压长间隙的直流辉光放电中可以看到明显的分层现象，其中肉眼可以清晰分辨的有正柱区、法拉第暗区和明亮的阴极位降区等。Massines小组通过数值模拟、王新新教授通过ICCD拍摄都证实了大气压氦气介质阻挡放电也具有相似的结构，是一种亚辉光放电状态。

在实现辉光放电的基础上升高气压到某一数值，放电形态和电流发生了一定变化。首先放电变得不那么明亮，放电的面积相比辉光放电状态也有所减小。放电电流的脉宽相比辉光放电变得非常窄，而且每个半周期内一般只有一个电流脉冲。均匀放电的照片如图1-15所示，电流、电压波形如图1-16所示。

从图1-15中可以看出，放电的面积仍然很大，但是却没有覆盖整个放电间隙。这种均匀放电的面积是随气压的升高而减小的，但如果在某一气压下升高电压，放电的面积也会增大。

如果这种电流波形只有一个脉冲的放电的本质是丝状形态，那么不会出现肉眼看起来均匀的外观。因为这种形态的放电在每个半周期内只存在一个电流脉冲，介质阻挡层之间的气体间隙发生击穿时，只能是在大面积的区域同时击穿，这与大气压下得到的看似均匀的丝状放电有着本质的区别。在大气压下得到的看似均匀的丝状放电实际上是由大量的放电细丝组成，其电流波形的特点是在每个半周期内含有大量杂乱的脉冲波形，这些脉冲对应放电过程中的大量细丝状放电，在时间和空间的分布上此起彼伏，由于细丝状放电的寿命非常短（一般只有10ns），仅凭肉眼或曝光时间长的普通相机无法分辨。也就是说，这里用普通相机拍摄到的比较均匀的放电不可能是由多个流注汇集成的。将这种放电形态称为均匀放电（汤森放电）。

当气压继续升高到某一数值后，放电的现象出现新的变化。初始放电仍然是均匀的，但是稍微升高电压，均匀放电的面积马上缩小并迅速转化为一个或几个明显跳动的丝状放电形态。放电电流的波形也开始在半个周期内出现多个电流脉冲。均匀放电向丝状放电转化的照片如图1-17所示，放电的电流、电压波形如图1-18所示。这样的放电随电压发生明显改变的现象在一定气压范围内存在，是均匀放电和丝状放电共存的情况。

继续升高气压到某一数值后，初始放电不再是均匀的形态，而是明显的丝状放电，放电细丝非常不稳定，大量丝状放电无规则地跳动，可以听到剧烈的放电声音。放电电流的波形非常复杂，由多个非常窄的脉冲组成。这个时候，即使再降低电压，也不能得到均匀放电的形态，放电只能是丝状形态。无论是外观和电流都可以准确地判断放电的形态已经完全转化为丝状放电。剧烈丝状放电的照片如图1-19所示，放电的电流、电压波形如图1-20所示。

1.8.2.4　不同材料放电特性的比较

（1）氧化铝陶瓷

当使用1mm厚的氧化铝陶瓷作为介质阻挡材料时，当气压升高到6.2kPa时，开始出现均匀放电和丝状放电共存的现象；当气压升高到18kPa时，均匀放电的形态完全消失，放电只能以丝状放电的形态存在。

（2）石英

当使用1mm厚的石英作为介质阻挡材料时，存在均匀放电的气压范围比使用氧化铝陶瓷时有所增加，气压升至9.8kPa时开始出现均匀放电和丝状放电共存的现象，而均匀放电形态完全消失的临界气压是22kPa。

（3）聚丙烯

使用1mm厚度的聚丙烯作为介质阻挡材料时，丝状放电出现的气压是19kPa，均匀放电不再出现的气压是30kPa。

（4）聚四氟乙烯

使用1mm聚四氟乙烯时，均匀放电的气压范围进一步提高，均匀放电和丝状放电共存的现象出现的气压是25kPa，均匀放电存在的最高气压是32kPa。

（5）硅橡胶

硅橡胶材料能够得到的均匀放电的气压范围最大，出现丝状放电和均匀放电形态消失的临界气压分别是34kPa和40kPa。

选用的不同介质阻挡材料中，有3种是高分子聚合物属于有机材料，有2种属于无机材料。从试验中可以得到一个明显的结论是，这3种有机材料作为阻挡介质都比石英和氧化铝两种无机材料更容易得到均匀放电。这3种有机材料都属于驻极体材料，其中聚四氟乙烯是工业上最常用的驻极体材料。驻极体是指那些具有长期储存空间和极化电荷能力的固体电介质材料。石英和氧化铝是非驻极体材料，存储电荷的能力有限。因此，很有可能是表面电荷的特性决定了介质阻挡材料是否更利于得到均匀放电。Golubovskii和方志都曾经提出，某些特殊的介质阻挡材料具有极强的保存电荷能力，可以一次放电后将原来在电场作用下进入材料浅表层的大量电子保存起来，当进入下个半周期，电场极性发生偏转后，这些电子能够被释放出来成为种子电子。低气压放电的结果很有可能支持这样的说法。从前面的试验结果可以发现，使用同一种材料时，厚度越薄，越容易得到均匀放电。目前关于介质阻挡材料厚度对放电的影响，一般都局限于对电流的限制作用上。在以往低气压放电的研究成果中，限制电流使辉光放电不容易向电弧放电发展。这似乎与试验结论相矛盾，但是这些研究采用的气压范围都在几百帕以内，远远小于试验研究的气压。试验气压一般都在10kPa或更高的气压范围，与过去研究的极低气压下的放电特性有着很大的区别。对于聚四氟乙烯和硅橡胶这样的聚合物材料，如厚度发生改变，材料的等效电容会发生改变。薄的材料等效电容量大，会在表面积累更多的电荷。这可能是材料厚度影响放电特性的原因。

1.8.2.5　介质阻挡放电的功率

像其他类型放电一样，介质阻挡放电的功率是它的一个重要参量。由于介质阻挡放电的电流、电压间的相位失调，它的功率计算和测量是比较复杂的。

根据实验测得的放电伏安特性可以计算介质阻挡放电的功率。

　　 （1-10） 　　

式中　Vmin——放电启动时要求的最小外界作用电压。

式（1-10）是低频介质阻挡放电的重要功率公式，它对各种电压波形都适用。式中所有电学量的数值都是可以测量的，因此该公式可以用来计算介质阻挡放电的功率数值。

1.8.2.6　介质阻挡放电的李萨如图形

在交变电场作用下放电功率测量比较困难，因为放电的电流、电压间位相差难以确定，尤其是在强的介质阻挡放电中由此引起的功率误差相当大。利用放电电压-电荷李萨如图形分析介质阻挡放电的功率，对正确确定放电功率很有帮助。

在放电回路中加进一个测量电容CM，用以测量放电输送的电荷量Q，如图1-21所示。

若把测量电容上的电压VM和作用电压V分别在示波器的X-Y轴上就可以得到一条闭合曲线，实际上VM是正比于测量电容上的电荷量，所以它就是理想的电压-电荷李萨如图形，闭合曲线内的面积正比于一个周期内消耗在放电中的能量。在放电作用的时间内，介质阻挡放电的放电电压Vd几乎是不变的，那么电压-电荷李萨如图形如图1-22所示。

注：图中①～③表示三个三角形，是为计算图形面积使用

考虑到平行四边形的面积是每一个周期中放电的能量，则有放电功率为

　　 （1-11） 　　

此式与式（1-10）是一致的，这是低频介质阻挡放电的功率表式，可见利用介质阻挡放电的电压——电荷李萨如图形可以很有效地测量到放电的功率。

1.8.2.7　功率因子

气体放电的功率因子F是一个重要的电技术参量，其意义为

　　 （1-12） 　　

式中　P——放电功率；

V有效，I有效——放电的有效电压和电流。

放电的功率因子决定着电源能够提供的有效功率的百分比。

在介质阻挡放电中，放电发生以前放电装置犹如一个电容负载，所以功率因子通常在0.2～0.8之间变化，其具体数值取决于Cd/Cg、V/Vd以及作用电压的波形。因此在设计介质阻挡放电的电源时，需要考虑在各种工作条件下电源的功率因子。