大氣壓射頻微等離子體放電特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、大氣壓下氣體放電是近年來發(fā)展起來的一項嶄新的等離子體產(chǎn)生技術(shù)，由于該技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中不需要昂貴的真空裝置、可以實現(xiàn)流水線式的連續(xù)作業(yè)，并能產(chǎn)生大體積均勻且具有很高活性的非平衡等離子體，從而在薄膜生長、材料改性及殺菌消毒等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，甚至催生了等離子體醫(yī)學(xué)這樣的新興學(xué)科，是目前國際上放電與等離子體研究領(lǐng)域的熱點之一。反過來講，許多等離子體的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，特別是作用于活體的應(yīng)用，也需要在大氣壓下進行，這也是該類應(yīng)用的必然要求。但

2、在大氣壓下，氣體放電參量的實驗診斷卻是非常困難的，一些低氣壓常用的診斷方法在大氣壓下可能未必適用。同時，所需測量的物理量更多更復(fù)雜，特別是眾多活性粒子（ROS，RNS等）的診斷，如基態(tài)的氧原子、氮原子等，更是具有挑戰(zhàn)性的工作。因此本文借助數(shù)值模擬的手段來研究大氣壓射頻氣體放電的電氣特性，以及內(nèi)部粒子的演化過程。
　　首先，利用一維流體模型研究以氦氣作為背景氣體的大氣壓射頻放電特性。在大氣壓射頻放電中，像阻抗、電阻以及容抗這樣的電參

3、數(shù)是比較容易定性的測出來，而我們研究的電子密度、鞘層厚度以及鞘層電壓這些參數(shù)通過我們的推導(dǎo)，可以用這些電參數(shù)表達出來。本文利用流體模型推導(dǎo)了一個簡單的理論公式來建立等離子體阻抗和等離子體參數(shù)之間的關(guān)系。等離子體阻抗可以通過引入弛豫頻率來預(yù)測得到，而電子密度和鞘層厚度又可以分別從阻抗和容抗的計算或者仿真得到。由模型推導(dǎo)出的分析結(jié)果也能進一步的了解大氣壓射頻等離子體的放電特性。
　　其次，以氦氧混合氣體為背景，考慮了17種粒子以及65

4、個反應(yīng)，研究了當(dāng)放電空間尺度向微間隙發(fā)展時，大氣壓射頻放電空間結(jié)構(gòu)的演化過程。從數(shù)值仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放電間隙減小到200μm時，大氣壓氦氧混合氣體射頻放電并不會像純氦氣射頻放電一樣，由傳統(tǒng)的輝光放電結(jié)構(gòu)(GP)轉(zhuǎn)化為由鞘層主導(dǎo)的放電結(jié)構(gòu)(SDP)。這主要是因為在純氦氣射頻放電中，正離子主要是He2+，負離子主要是電子e。而在氦氧混合氣體放電中，即使是非常少量的氧氣，e都不再是最主要的負離子，而是O-和O2-，正離子則不單是He2+，O2

5、+的密度隨著氧氣的加入量增多將會逐漸大于He2+。這就使得放電氣隙的中間區(qū)域正負粒子密度近乎相等，從而形成等離子體中性區(qū)。
　　然后，研究了在同功率以及同功率密度下，大氣壓氦氧微間隙射頻放電內(nèi)部活性粒子(ROS)的尺度效應(yīng)。在同功率下，隨著放電間隙逐漸向微間隙減小，電子密度以及電子溫度都在逐漸增大，基態(tài)氧原子(atomic oxygen density O)、激發(fā)態(tài)氧原子(excited atomic oxygen density

6、 O(1D))和激發(fā)態(tài)氧分子(SDO)都是逐漸增大，只有臭氧(O3)在逐漸減小。而在同功率密度下，隨著放電間隙的減小，電子密度，電子溫度，基態(tài)氧原子，激發(fā)態(tài)氧原子，激發(fā)態(tài)氧分子以及臭氧均呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢。
　　最后，給出了微波脈沖調(diào)制放電特性的流體模擬，從研究結(jié)果看，在脈沖調(diào)制中，第一個電流脈沖是否會出現(xiàn)較大值，并不需要一定在非常小的放電間隙下。如果放電間隙增加，只要電場足夠大，可以使得電子能在較短的時間從放電間隙運動到極板附近