大氣壓微時(shí)空尺度放電特性的粒子模擬研究.pdf

1、大氣壓下的氣體放電不需要昂貴的真空裝置，可以大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)，是近年來十分受關(guān)注的一項(xiàng)嶄新等離子體技術(shù)。大氣壓下產(chǎn)生的大體積均勻非平衡等離子體可以用于薄膜生長、等離子體平板顯示(PDP)、等離子體醫(yī)療、納米材料合成、等離子體隱身技術(shù)及殺菌消毒等領(lǐng)域，是目前國際上放電與等離子體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。大氣壓下產(chǎn)生均勻非平衡等離子體所需要的條件很苛刻，由于氣壓高，放電容易從非平衡等離子體向熱平衡等離子體轉(zhuǎn)化，目前已有多種放電方式來抑制這種轉(zhuǎn)化以

2、得到穩(wěn)定的大氣壓非平衡等離子體，主要有微放電、脈沖放電等，這都是在微時(shí)空尺度的放電。
　　本文主要介紹大氣壓等離子體的微時(shí)空放電特性，由于其高氣壓微尺度特點(diǎn)，電子能量概率分布函數(shù)(EEPF)隨時(shí)間的變化非常劇烈，電子能量不處于麥克斯韋分布狀態(tài)，常用的流體模擬不再適用于討論該狀態(tài)下的放電特性。目前對等離子體在微時(shí)空狀態(tài)下的放電規(guī)律研究有限，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)診斷與數(shù)值仿真均面臨新的挑戰(zhàn)，為了準(zhǔn)確給出等離子體的動(dòng)理學(xué)特性，本文借助于粒子模擬手

3、段，分別對大氣壓下微空間尺度和微時(shí)間尺度的放電進(jìn)行了研究，并得出以下主要結(jié)論:
　　1)大氣壓射頻微等離子體放電相較于通常的大間隙放電可以提供更高的電子密度及電子能量，且可以耦合更高的功率密度并保持放電的穩(wěn)定性。模擬結(jié)果表明，在給定的放電間隙下，隨著輸入電流密度的增大，放電結(jié)構(gòu)逐漸由鞘層主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的輝光放電結(jié)構(gòu)，電子密度也會(huì)隨之增大，鞘層電場逐漸增強(qiáng)，同時(shí)電子能量概率函數(shù)曲線會(huì)隨之整體向上偏移。而在給定的電流密度下，隨著

4、二次電子發(fā)射系數(shù)(SEEC)的增大，放電結(jié)構(gòu)也會(huì)逐漸由鞘層主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電的結(jié)構(gòu)，電子密度會(huì)隨之增大，同時(shí)鞘層電場逐漸變小，高能電子比例也隨之減小。本文還進(jìn)一步分析了在大間隙出現(xiàn)鞘層主導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可能性，根據(jù)模擬結(jié)果，在0.5MHz射頻頻率下得到鞘層主導(dǎo)結(jié)構(gòu)依然較困難。
　　2)脈沖調(diào)制放電是近年來比較流行的大氣壓放電模式，這種放電模式在節(jié)省功率、維持放電穩(wěn)定性方面都有很好的效果。本文模擬結(jié)果表明，微等離子體微波脈沖調(diào)制在po

5、wer-on階段的第一個(gè)射頻周期會(huì)出現(xiàn)一較大的脈沖電流峰，在陽極附近形成自生電場，并且在這個(gè)過程中有高能電子的出現(xiàn)，其能量可以超過40 eV。在高頻下，占空比的提高有利于大電流峰現(xiàn)象出現(xiàn)，并且隨著占空比的提高，大電流峰值和最終的電流值都會(huì)增大，在70％占空比時(shí)可以達(dá)到最好的效果;隨著調(diào)制頻率的提高，大電流峰依然存在，但峰值會(huì)隨之下降;提高射頻頻率有利于大電流峰的出現(xiàn)，并且峰值隨著射頻頻率的增大而增大;增大放電間隙不利于大電流峰的出現(xiàn)。此

6、外，占空比的提高有利于微等離子體微波調(diào)制放電中高能電子的產(chǎn)生，而低調(diào)制頻率則更有利于高能電子的產(chǎn)生。
　　3)脈沖放電有利于在大氣壓下產(chǎn)生均勻的非平衡等離子體，且擁有較高的電子產(chǎn)生率等優(yōu)勢，本文主要針對無介質(zhì)平板電極的納秒脈沖放電進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，在無介質(zhì)平行板電極放電時(shí)，放電電流出現(xiàn)在放電后半段;在整個(gè)過程中，鞘層中會(huì)形成非常大的電場，電子密度在整個(gè)過程中都是上升的，在脈沖結(jié)束后密度才會(huì)下降;電子能量在經(jīng)歷初始時(shí)刻的增大后