大氣壓Ar、N2和Ar-O2氣體脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體機(jī)理及特性的數(shù)值研究.pdf

1、大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體由重復(fù)頻率高壓脈沖電源驅(qū)動(dòng)，它不僅擁有較好的穩(wěn)定性、均勻性、化學(xué)活性和非熱平衡性，而且具備較強(qiáng)的氧原子、臭氧和羥基等活性粒子與真空紫外線制備的能力以及具有較高的電子溫度、等離子體密度和能量轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體的特點(diǎn)與優(yōu)勢與非熱平衡放電等離子體應(yīng)用中的實(shí)際需求很好地契合，使之既適合于開展非熱平衡放電等離子體的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，還給氣體放電與放電等離子體領(lǐng)域提供新的發(fā)展機(jī)遇和研究

2、內(nèi)容。因此，大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體具有重要的科學(xué)研究意義和廣闊的應(yīng)用前景，它的機(jī)理及特性是氣體放電、等離子體物理、等離子體化學(xué)和等離子體生物醫(yī)學(xué)工程等學(xué)科領(lǐng)域一直關(guān)注的熱點(diǎn)課題。
　　本文建立和使用非熱平衡放電等離子體一維流體模型，針對(duì)大氣壓氬氣、氮?dú)夂蜌逖趸旌蠚怏w脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體的機(jī)理及特性，對(duì)不同放電工作氣體中非熱平衡放電等離子體的產(chǎn)生機(jī)制、演化過程、放電模式和放電特性等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究。本文的研究

3、工作，主要包含以下方面的內(nèi)容和結(jié)果:
　?。ㄒ唬?duì)單原子惰性氣體氬氣和雙原子分子氣體氮?dú)?，進(jìn)行了大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體機(jī)理和特性的數(shù)值模擬和比較研究。介紹了大氣壓氬氣與氮?dú)饷}沖介質(zhì)阻擋放電等離子體的研究背景、研究意義和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀;從模擬結(jié)構(gòu)、模擬粒子與基本反應(yīng)、控制方程、數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面，詳細(xì)闡述本文建立和使用的大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體一維流體模型;系統(tǒng)地計(jì)算了放電電流密度、氣隙電壓、介質(zhì)電壓、粒子密度和

4、氣隙電場等放電等離子體重要特征變量，比較研究相同放電條件下單原子惰性氣體氨氣和雙原子分子氣體氮?dú)獾拇髿鈮好}沖介質(zhì)阻擋放電等離子體的演化過程、放電模式和電離機(jī)制，獲得如下結(jié)果:
　　(1)大氣壓氬氣脈沖介質(zhì)阻擋放電發(fā)生在氣隙電壓達(dá)到最大值之后，放電電流密度是呈兩個(gè)雙極性脈沖的放電形式，并分別發(fā)生在外施電壓的上升沿和下降沿;大氣壓氮?dú)饷}沖介質(zhì)阻擋放電開始于氣隙電壓的升高，在接近脈沖寬度的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的增長。
　　(2)氬氣

5、放電的放電模式為大氣壓輝光放電，氮?dú)夥烹姷姆烹娔Ｊ皆谕馐╇妷好}沖的不同階段分別處于大氣壓湯森放電和由大氣壓湯森放電向大氣壓輝光放電發(fā)展的中間狀態(tài)。
　　(3)兩種放電工作氣體中，電子碰撞電離均為主要的電離機(jī)制。在氬氣中，多步電離能夠明顯地提高電離率，是關(guān)鍵的電離機(jī)制。在氮?dú)庵校瑏喎€(wěn)態(tài)氮分子間的潘寧電離在較長時(shí)間里持續(xù)地產(chǎn)生帶電粒子，同樣是重要的電離機(jī)制。
　?。ǘ┦褂靡痪S流體模型，系統(tǒng)地研究了放電條件對(duì)大氣壓氬氣與氮?dú)饷}沖

6、介質(zhì)阻擋放電等離子體的影響。其中，放電條件是指放電等離子體反應(yīng)室運(yùn)行條件和外施單極性重復(fù)頻率高壓脈沖參數(shù)，前者包括放電氣隙間距、介質(zhì)厚度和介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，后者為電壓振幅、頻率與脈沖寬度。這里，首先研究了改變運(yùn)行條件對(duì)兩種氣體大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體機(jī)理及特性的影響，之后計(jì)算分析了大氣壓氬氣與氮?dú)饷}沖介質(zhì)阻擋放電等離子體的脈沖參數(shù)效應(yīng)，得到如下結(jié)果:
　　(1)氬氣和氮?dú)夥烹姷入x子體的放電電流密度、平均電子密度和平均耗散功率

7、密度隨放電氣隙間距的增大而減小，并隨著介質(zhì)厚度的增大或介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的減小而減小。
　　(2)改變運(yùn)行條件，氬氣放電保持在大氣壓輝光放電模式，氮?dú)夥烹妱t呈現(xiàn)大氣壓湯森放電或弱大氣壓輝光放電模式;大氣壓氮?dú)廨x光放電的形成需要較小的放電氣隙間距、較薄的介質(zhì)厚度和較高的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。
　　(3)隨外施電壓振幅的提高，氬氣和氮?dú)夥烹姷入x子體的放電電流密度和平均電子密度均單調(diào)增大。隨外施電壓頻率的提高，氬氣放電電流密度減小，而氮

8、氣放電電流密度增大，兩種放電氣體中的平均電子密度接近正比地增大。增大外施電壓脈沖寬度，放電電流密度和平均電子密度在氬氣放電中基本保持不變，而在氮?dú)夥烹娭忻黠@地增大。
　　(4)提高外施電壓振幅，氬氣放電模式從弱大氣壓輝光放電變化到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓輝光放電，而氮?dú)夥烹娔Ｊ侥軌驈拇髿鈮簻烹娹D(zhuǎn)變?yōu)榇髿鈮狠x光放電。
　?。ㄈ逖醯入x子體含有大量的活性粒子，在非熱平衡放電等離子體材料處理和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有重要的作用。改變氬氧混合氣體

9、的氧濃度，將對(duì)氬氧等離子體的活性粒子密度及其應(yīng)用效果產(chǎn)生顯著影響。本文使用一維流體模型，系統(tǒng)地研究了氬氧混合氣體的氧濃度對(duì)放電等離子體重要特征變量的影響，得到如下結(jié)果:
　　(1)大氣壓氬氧混合氣體脈沖介質(zhì)阻擋放電的放電電流密度波形與氬氣放電類似，即在外施電壓的一個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)兩個(gè)雙極性放電電流脈沖。氬氧混合氣體中氧濃度的增加能引起第一次放電的放電電流密度峰值降低以及峰值時(shí)間延后，對(duì)第二次放電的放電電流密度的影響較小。
　　(

10、2)增加氧濃度將導(dǎo)致放電氣隙內(nèi)陰極鞘層和等離子體正柱區(qū)的電子密度降低，該現(xiàn)象在第一次放電中更為顯著。氧濃度的增加還明顯地提高第二次放電的擊穿電壓以及在外施電壓的脈沖持續(xù)時(shí)間和相鄰兩次電壓脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)的平均電子溫度。此外，平均耗散功率密度在氧濃度為3％時(shí)達(dá)到最大。
　　(3)增加氧濃度能夠提高O+、O2(1Δg)和O3的平均粒子密度，降低電子、Ar+、O和O(1D)的平均粒子密度。不同氧濃度下，大氣壓氬氧脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體

11、中，O2+和O3-均分別為占支配地位的正負(fù)氧離子;O、O2（1Δg)和O3的平均粒子密度明顯地高于其他粒子的平均粒子密度。
　?。ㄋ模┦褂脷逖醴烹姷入x子體一維流體模型，進(jìn)一步研究了大氣壓氬氧混合氣體脈沖介質(zhì)阻擋放電中，氧類物質(zhì)的反應(yīng)路徑貢獻(xiàn)和時(shí)空密度演化。系統(tǒng)地計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析各種氧類物質(zhì)的產(chǎn)生和消耗，給出了各種氧類物質(zhì)的關(guān)鍵反應(yīng)路徑及其貢獻(xiàn)。系統(tǒng)地研究并呈現(xiàn)了各種氧類物質(zhì)的粒子密度軸向分布的時(shí)間演化。這些研究給出了如下的結(jié)果:

12、r>　　(1)O、O(1D)、O2(1Δg)和O-的主要產(chǎn)生途徑為電子與O2間的電子碰撞反應(yīng)。Ar+與基態(tài)氧原子和基態(tài)氧分子間的反應(yīng)對(duì)氧離子O+和O2+的產(chǎn)生起到極顯著的貢獻(xiàn)。中性粒子間的反應(yīng)O2+O2+O→O3+O2產(chǎn)生了絕大部分的臭氧分子O3。反應(yīng)e+O3→O2-+O和O-+O3→O3-+O產(chǎn)生了大部分的負(fù)氧離子O2-和O3-。
　　(2)O2+與O-、O2-和O3-間的中和反應(yīng)是這四種氧離子重要的消耗反應(yīng)路徑。氧離子O+、氧

13、原子O和O(1D)的主要消耗反應(yīng)路徑為這三種粒子與O2間的反應(yīng)。O2(1Δg)與O3間的反應(yīng)，以及與電子、O和O2間的去激發(fā)反應(yīng)是O2(1Δg)的主要的消耗路徑。O3與各種中性粒子間的反應(yīng)對(duì)臭氧分子的消耗起主要作用。
　　(3)O+和O(1D)的粒子密度相對(duì)較低，且在外施電壓脈沖持續(xù)時(shí)間里有兩個(gè)明顯的波峰。O2+、O、O2(1Δg)和O3的粒子密度相對(duì)較高且?guī)缀醪浑S時(shí)間變化。負(fù)氧離子O-、O2-和O3-的粒子密度在外施電壓脈沖持續(xù)