（等离子体物理专业论文）dbd时空演化与等效电路模型的关联性研究.pdf

也矗，弗 飞 多 ” ： s t u d yo n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np h y s i c a lp r o c e s sa n d e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l o fd b d at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e b y w a n g j i a w e i ( p l a s m ap h y s i c s ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n g z h i t a o m a y 2 0 1 1 舢0 2删559删8川-哪y j ，1 tli， f & ， ； 一 除 已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) 敝作者签名：矽中导师签名： e t 期：7 1 0 l f 年其露b 乞iif， 中文摘要 摘要 大气压非平衡等离子体以其独特的优势在环境保护、物质合成、等离子体显 示、材料表面处理等相关领域得到了广泛的应用，大气压介质阻挡放电( d i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g e ，d b d ) 作为最具代表性的产生大气压非平衡等离子体的放电体 系，不仅具有高度的复杂性，也存在着严重的空间尺度放大效应，单纯地放大d b d 体系难以保持放电性能的稳定和提高，甚至造成放电性能的劣化，制约着大气压 非平衡等离子体的规模化应用。因此，有必要对d b d 的放电过程及机理进行深入 研究，以分析尺度放大效应的成因，改善d b d 反应器工作性能。 本文基于微流注与微辉光两种主要的d b d 放电模式，通过对其形成机制与放 电单元结构特征的分析，确立了d b d 放电的关键结构参量，并依此建立了基于 m a t l a b 的d b d 等效电路动态仿真模型，在此基础上模拟了d b d 关键结构参量 对独立微放电的影响、相邻微放电之间的相互作用以及多重微放电集体作用引发 的空间尺度效应，研究结果如下： 1 对于独立微放电，模拟发现放电体系等效电阻r 与未被击穿电容的增大会削 弱d b d 微放电性能；在一定范围内提升激励电压、激励频率、电介质层等效电容、 减小电极间距会提升微放电性能。 2 d b d 激励电源中高压变压器的漏感与d b d 等效电容存在l c 谐振效应，其 谐振频率厅随着d b d 微放电通道的增多而减小。d b d 结构尺度的增大虽然会促 使微放电数目的增加，但也造成了d b d 等效电容的增大，由此引起谐振频率降低， d b d 难以达到最佳工作频率时的放电性能，这是d b d 存在空间尺度效应的成因。 3 同步发生的相邻微放电之间没有电流的相互传递，因此在多重微流注发生的 宏观体系中可以将d b d 等效电路近似为独立微放电单元等效电路的并联，依此来 确定d b d 空间尺度效应与等效电路的关联性。 从本文研究结果推断，要优化d b d 放电系统性能，减小d b d 空间尺度效应， 就必须尽力减小激励电源高压感性原件的漏感，必须尽力减小d b d 反应器的等效 电容，以此奠定大气压、大空间d b d 非平衡等离子体形成的技术基础。 关键词：介质阻挡放电( d b d ) ；尺度效应；微放电等效电路；非平衡等离子体 t i f p 英文摘要 a b s t r a c t d u et oi t ss p e c i a la d v a n t a g e s ，a t m o s p h e r i cn o n e q u i l i b r i u mp l a s m ah a sb e e nw i d e l y u s e di nt h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s y n t h e t i z em a t e r i a l ，p d p ，s u r f a c et r e a t m e n t a n ds oo n d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) , t h em o s tr e p r e s e n t a t i v ew a yo fg e r e n a t i n g a t m o s p h e r i cn o n - e q u i l i b r i u mp l a s m a , i sh i 曲l yc o m p l i c a t e da n d h a sac r i t i c a ls i z ee f f e c t t h a tt h ed i s c h a r g ep e r f o r m a n c ew i l lb ew e a k e nw h e nt h es i z eo ft h ed b di si n c r e a s e d s i m p l y t h i s b a de f f e c t + r e s t r i c t st h e a p p l i c a t i o n o f l a r g e s c a l ea t m o s p h e r i c n o n e q u i l i b r i u mp l a s m a s oi ti sv e r yn e c e s s a r y t om a kad e e ps t u d ya b o u tt h ed i s c h a r g e p r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fd b d a n dg e tt h er e a s o nf o rt h es i z ee f f e c t s ob a s e do nt h es t m c t r eo fd b di n c l u d i n gt w od i s c h a r g ef o r m s ：m i c r o - s t r e a m d i s c h a r g ea n dm i c r o g l o wd i s c h a r g e ，w ef i r s t l yc o n f i r m e dt h ek e yp a r a m e t e r so fd b d d e v i c eb ya n a l y z i n gi t sg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n dc h a n g e dt h e mi n t oe q u i v a l e n tc i r c u i t p a r a m e t e r s t h e nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fm i c r o d i s c h a r g eo fd b d w a sb u i l i nt h e m a t l a bw h i c hw a su s e dt os i m u l a t et h es i n g l em i c r o d i s c h a r g ep r o c e s s ，i n t e r a c t i o n b e t w e e nt w oa d j a c e n tm i c r o d i s c h a r g ec h a n n e l sa n dt h es p a t i a le f f e c tw h e nn u m b e ro f t h em i c r o d i s c h a r g ec h a n n e l si n c r e a s e d r e s u l t sa sb e l l o w s ： f o rt h es i n g l em i c r o - d i s c h a r g e ，i n c r e a s eo ft h et o t a le q u i v a l e n tr e s i s t a n c ero ft h e d e v i c ea n dt h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eo ft h eu n b r e a k d o w np a r tcw e a k e n e dt h e p e r f o r m a n c eo ft h em i c r o d i s c h a r g e b u ti n c r e a s eo ft h ea p p l i e dv o l t a g e 、f r e q u e n c y 、 e f f e c t i v ec a p a c i t a n c eo fd i e l e c t r i ca n db r e a k d o w nc a p a c i t a n c eo ft h eg a sc o u l di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f d b d s e c o n d l y , d b dh a dr e s o n a n c ee f f e c tb e c a u s ei n d u c t a n c eo ft h ea p p l i e dv o l t a g eo f d b da n dc a p a c i t a n c eo fd b dc o n s t i t u t e dal co s c i l l a t i o nc i r c u i t f r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，i tw a sf o u n dt h a tr e s o n a n c ef r e q u e n c y 石d e c r e a s e d 谢也t h en u m b e r o f m i c r o d i s c h a r g ec h a n n e l so fd b di n c r e a s e d i n c r e a s i n gd b d s i z ec o u l di n c r e a s et h e n u m b e ro fm i c r o d i s c h a r g ec h a n n e l s ，b u ti ta l s om a d et h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eo f d b di n c r e a s e d d u et ot h i s ，t h er e s o n a n c ef r e q u e n c yd e c r e a s e da n dd b dc o u l dn o tg e ta b e s tp e r f o r m a n c eu n d e rt h eb e s tf r e q u e n c y s ot h er e s o n a n c ee f f e c to fd b dc o u l d w e a k e nt h ei m p r o v ee f f e c tb e t w e e nf r e q u e n c ya n dd i s c h a r g ep e r f o r m a n c e 7 俸 ，l ， tf啐 它lr； 气 f 龟 ， f 蠢 英文摘要 t h i r d l y , a ne q u i v a l e n tc i r c u i tt os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt w oa d j a c e n t m i c r o d i s c h a r g ec h a n n e l sw a sb u i l t t h ep a r a m e t e r so ft h ei n t e r a c t i o nm o d e lw e r e c h a n g e dt os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ei n t e r a c t i o nd i dn o tc h a n g ew i m t h ec h a n g eo fp a r a m e t e r so ft h em o d e la n dt h ei n t e r a c t i o nw a ss os m a l lt h a tc o u l db e g n o r e d s oi nt h es y s t e mo fd b d 谢n lm u l t i - m i c r o - d i s c h a r g ec h a n n e l s ，i t se q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lc o u l db ee q u a l e dt ob ep a r a l l e lo f m a n ys i n g l em i c r o d i s c h a r g ee h a m a e l s e q u i v a l e n tc i r c u i t g e n e r a l l ys p e a k i n g , s t u d yi nt h i sp a p e rm a d eu su n d e r a t a n dt h eb a s i cr e a s o n sf o rt h e s i z ee f f e c to fd b d i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd b da n dr e d u c et h es i z e e f f e c to fd b d ，w es h o u l dt r yt or e d u c et h ei n d u c t a n c eo fd b d sh i 曲v o l t a g es o u r c e s a n dt h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eo fd b d a n ds t u d yi nt h i sp a p e ra l s ol a y e df o u n d a t i o n f o rg e n e r a t i n gl a r g es c a l eu n i f o r mn o n e q u i l i b r i u mp l a s m a k e yw o r d s ：d b d ；s i z ee f f e c t ；e q u i v a l e n tc i r c u i to fd b d ；n o n e q u i l i b r i u m 、 p l a s m a 飞； pl； f 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 非平衡等离子体概述1 1 2 大气压非平衡等离子体源4 1 3d b d 等离子体源的研究现状6 1 4 本文研究内容8 第2 章介质阻挡放电理论基础9 2 1 介质阻挡放电( d b d ) 的原理结构9 2 2d b d 微放电的形成理论基础1 1 2 2 1 微流注的形成1 1 2 2 2 微辉光的形成13 2 3 介质阻挡放电( d b d ) 的主要参量1 5 2 3 1d b d 击穿电压1 5 2 3 2d b d 等效电路：一1 6 2 3 3 李萨茹图形与放电功率17 2 4 本章小结1 9 第3 章d b d 微放电等效电路模型的建立与仿真2 0 3 1d b d 关键参量与等效电路关联性分析2 0 3 2d b d 微放电等效电路2 1 3 3 独立微放电动态仿真模型的建立与优化。2 3 3 3 1m a t l a b 仿真软件。2 3 3 3 2 独立微放电动态仿真模型的建立2 4 3 3 3 仿真参量的确定2 6 3 3 4 独立微放电动态仿真结果3 0 3 4 本章小结3 9 第4 章d b d 微放电之间的相互作用与空间尺度效应4 0 4 1d b d 微放电通道间的相互作用4 0 4 1 1 引言4 0 4 1 2 相邻微放电单元相互作用的仿真研究4 0 4 1 3 结果分析4 2 4 2d b d 多重微放电空间尺度效应4 4 4 2 1d b d 微放电空间尺度效应的模拟4 4 目录 4 2 2 结果分析：4 6 4 3 本章小结4 8 第5 章结论与展望4 9 5 1 结论4 9 5 2 展望5 0 参考文献5l 攻读学位期间公开发表论文5 5 致谢5 6 1 _ p ； u d b d 时空演化与等效电路模型的关联性研究 第1 章绪论 1 1 非平衡等离子体概述 物质是由原子或分子组成的，可以通过同外界不断交换能量来改变自身的凝 聚状态。物质处于何种凝聚态，决定于构成该物质的原子、分子或分子团簇相互 间键力的大小。固体是由粒子间结合力强的键构成晶格的，当对固体物质施加能 量，使粒子的平均动能大于粒子在晶格中的结合能时，晶格解体，固体转变为液 体。液体的粒子间由结合力较弱的键相联系，如果进一步施加能量，破坏这些结 合力较弱的键，则液体转变为粒子间没有作用键的气体。这就是常见的固态一液 态一气态的转化过程。固态、液态和气态是自然界中物质存在的三种基本形态， 称为物质的三态。如果继续对气态物质施加足够的能量，组成这些气态物质的原 子或分子的热运动就会加剧，粒子间的相互碰撞会使气体原子或分子进一步分裂 为带负电的电子和带正电的离子，即原子或分子发生电离，使气态物质变成为由 自由运动并相互作用的正离子、电子等带电粒子组成的一种新的物质存在状态， 称为物质的第四态，即等离子体【心】。据印度天体物理学家m s a h a 计算，宇宙中 9 9 的物质处于等离子体状态，只有人类赖以生存的地球等少数天体温度较低。夜 空中的满天星斗绝大多数是高温完全电离的等离子体，太阳、电离层、极光、雷 电等也是自然界中常见的等离子体【3 一钉。 - - 组成等离子体的基本成分有电子、离子与中性粒子等三种，不同等离子体所 具有的特殊性质主要取决于这些粒子的种类、粒子数密度和粒子的温度。等离子 体按照不同的分类依据可以划分成不同的种类。假设等离子体中的电子、离子与 中性粒子的密度分别为力。、万，、玎。，在等离子体呈现准电中性时，甩。以，则电 离前气体分子的密度等于，l 。+ ，l 。因此，可以定义等离子体的电离度口为【1 ，5 】： 口：! ! 1 0 0 力e + ，l 一 ( 1 1 ) 当口= 1 0 0 时，表明气体分子已经完全电离，称为完全电离等离子体。日冕、 核聚变等高温等离子体的电离度都接近1 0 0 。对于只有部分电离的等离子体，当 第1 章绪论 a 1 时，等离子体的电导率已接近完全电离等离子体的电导率，称为强电离等 离子体。当口 1 0 4 2 3 1d b d 击穿电压 在介质阻挡放电的电学参量中，放电击穿电压殆是其中很重要的一个参量， 一方面它直接关系到气隙的击穿时刻，另一方面该值能够直接影响到放电功率。 d b d 放电的组成单元是独立的微放电，因此许多微放电电流脉冲构成了宏观的 d b d 放电电流，为了便于认识和理解放电的击穿，可以定义一个平均的放电起始 电压殆，在放电作用的周期内可以看作是一个常数。从d b d 电流电压波形图上可 以看出，当气隙电压小于d b d 放电击穿电压殆时，气隙间的电场强度不足以击穿 放电间隙中的气体，不发生微放电。当气隙间电压大于或者等于跆的时候，气隙 间的电场强度达到工作气体的临界击穿场强，气体被击穿开始放电，该过程一直 维持到激励电压达到最大值为止。放电发生阶段，气隙电压约等于击穿电压殆， 大小在微放电开始时与截止时的电压值之间，决定于工作气体性质，间隙中的各 种粒子浓度以及气隙距离的大小等因素【3 5 , 5 1 - 5 2 j 。 第2 章介质阻挡放电理论基础 实验研究表明，在压强为1 0 1 3 2 5 k p a 的空气中，平板电极放电装置，其电场 均匀，起始击穿电压为： 圪= 3 0 0 0 d + 1 3 5 ( 1 0 6 v m ) 一( 2 1 ) 式中d 为气隙距离，单位为米，该公式适用量级为1 0 3m ，即毫米间距下的放 电【3 5 】。它预期对干燥的大气击穿电场为3 0 k 、m 【5 3 。5 5 】 影响击穿电压的因素有很多。首先，击穿电压与气体的性质( 种类和气压) 有关，其中电子与相关的气体粒子发生碰撞的过程决定了击穿电压的值，当电子 与气体粒子碰撞时的能量还不足以电离该气体时，由于碰撞电子肯定会损失较大 能量，但是没有电离出新的电子，导致损失的这部分能量对放电的击穿没有贡献， 因此气体的击穿电压就会较高。其次，气体的电离电位对放电击穿电压影响很大， 一般情况下，击穿电压是正比于它的电离电位的。对于混合气体，击穿电压与单 一气体不同，实验发现，在氮气放电管中加入少量的氢的时候，其击穿电压要比 纯氮气的小，氖气中混入少量的氩气也会使氖的击穿电压变小，同样现象发生在 氩气与汞的混合气体中【5 6 1 。这一现象是潘宁效应的结果，混合气体击穿电位变小 的原因与其内部的激发过程有关。如果放电管中只有一种气体如氖气，当电子的 能量只能激发氖原子到亚稳态，因为高速的电子与亚稳态原子的碰撞时间很短， 所以使其电离的几率比较小。当向氖气中混入一定比例的其他杂质气体，并且混 入气体原子电离电位低于氖的亚稳态能量，那么混入气体原子与亚稳态氖原子发 生非弹性碰撞的几率很大，氖原子在碰撞过程中将能量传递给混入气体原子并使 其发生电离，这样的过程不断重复，就会降低氖气的击穿电压。 击穿低压受电极材料的影响也很大，因为电极表面的y 系数关系到正离子轰击 阴极表面的辐射电子效率，所以阴极表面存在杂质的话就会影响到气体的击穿电 压。除此之外，电极的形状、粗糙程度对击穿电压也存在一定的影响，一般会差 3 4 倍，如针型电极由于其局部电场很高，击穿电压相对就会较低【3 5 1 。 2 3 2d b d 等效电路 根据介质阻挡放电的装置结构图2 1 可知，d b d 的三个组成部分是：放电电 极、放电气隙、绝缘电介质层，实际上就是一个由这三个部分构成的有损耗电容 器。其放电后等效电路简图如图2 7 所示，其中q 是d b d 中绝缘介质等效电容， g 是放电间隙的等效电容，r 是放电气隙等效电阻。 d b d 时空演化与等效电路模型的关联性研究 图2 7d b d 放电等效电路简图 f i g 2 7s i m p l ee q u i v a l e n tc i r c u i to fd b d 通常情况下，绝缘介质的介电常数要大于工作气体的介电常数，气隙距离要 大于介质板厚度，因此c d 远大于g 。图2 7 是d b d 放电等效简图，在广义上表 明了d b d 放电击穿过程，气体被击穿后，气隙电导率变大，相当于电路中并入了 一个电阻尺，以此来模拟击穿效果。上述d b d 等效电路是对d b d 所有微放电的 一个总体等效，而对于独立微放电，放电空间中除了击穿的微放电气隙通道，还 有大部分的未被击穿的气隙，因此在考虑独立微放电的等效电路时，未被击穿部 分等效电容是一个重要的参量。对于不同条件、不同形式的d b d 放电，放电等效 电路的具体结构亦是不同的，但是总体思路是相同的。 2 3 3 李萨茹图形与放电功率 在交流电源激励下，对d b d 放电功率的获得相对困难，首先d b d 中放电电 流由许多脉冲放电组成，其次放电电压与放电电流存在着不能确定的相位差，这 都增加了测量d b d 放电功率的难度； 示波器 图2 8d b d 电荷电压测量系统简图 f i g 2 8s t r u c t u r eo f d b ds y s t e mt og a i nq o v l i s s o j o u sc u r v e 第2 章介质阻挡放电理论基础 而通过q v 李萨茹图形来求解d b d 的放电功率则是目前相对较准确且简单的 方法，李萨茹图形指的是放电过程中所传导的电荷总量与激励电压的关系图。为 了得到q - v 李萨茹图形，搭建了如图2 8 所示的测量电路，图中v 代表电压测量 装置，在介质阻挡放电的回路中串入一只测试电容c f ，利用电容的电荷累积效应 获得放电过程中d b d 的传输电荷量q ，放电时c , n 端的电压是形，可计算出回路 中电流： ，冬。- - ( 2 2 ) ， 因此放电功率为： 噜 ，p = 学毒r y 挚：西2 如果利用示波器分别测得测试电容在放电中所积累的电荷量q 与激励电压阼 分别作为x 轴、y 轴显示在示波器中，会得到一条闭合曲线，就是q y 李萨茹图 形，如图2 9 所示： ， 一 。、 彦 。 q 图2 9 电压一电荷波形图 f i g 2 9q - vl i s s o j o u sc u r v e 通常它的形状是平行四边形或者椭圆，其面积就是放电装置在一个周期内所 损耗的能量。而且9 y 图形的几何参数与放电装置的各项参量存在直接的关系， 因此利用q y 图形还能计算出d b d 装置参量如气隙等效电容、绝缘介质层等效电 容、击穿电压、气隙电压、电源最大电压等。根据d b d 等效电路图2 7 与李萨茹 d b d 时空演化与等效电路模型的关联性研究 图形2 9 ，通过适当的定标司以得出： t a n y = 三一( 2 4 ) t a n 口：里盟一一。( 2 5 ) c d c g 、j 从以上两式看出，李萨茹图中a b 、c d 两条边得斜率为介质等效电容c d 的 倒数。召c 、伽两条边的斜率为詈等，结合以上两式，便可算出q 与c g 的值。 文献【5 7 】推理得出，微放电的转换发生在a 、c 两点，可得到最小放电电压； 圪：脚一2 ( 乏兰) 名( 2 6 ) 其中珞是放电间隙等效电压，前面提到，平行四边形的面积为d b d 在一个周期 内的能量损耗，而且损耗只发生在a b 、c d 阶段内，所以介质阻挡放电的功率为： p = 2 了v gg 仙= 2 等c d ( v o p + g o ) ( 2 7 ) p - 4 f v g c d v o p 一岛拿心- ( 2 8 ) 从上面的公式，可以得出介质阻挡放电一个周期内的放电功率，换句话说， 只要计算出了李萨茹图形的平行四边形的面积，知道激励电源的频率大小，两者 的乘积便是d b d 的放电功率大小，可见通过d b d 的q - v 李萨茹图形能够有效的 测量放电装置的功率大小【5 7 】。 2 4 本章小结 本章对介质阻挡放电的原理进行了阐述，分析了典型的d b d 装置结构的不同 特点。d b d 的基本组成单元是微放电结构，微放电形式包括微流注与微辉光，基 于流注理论与辉光放电理论，结合相关研究，介绍了两种放电形式的形成过程。 最后对d b d 的主要参量进行了分析，为后续的仿真模拟奠定了相关的理论基础。 第3 章d b d 独立微放电的等效电路模型建立与动态仿真 第3 章d b d 微放电等效电路模型的建立与仿真 3 1d b d 关键参量与等效电路关联性分析 大气压非平衡等离子体的尺度效应问题严重制约了其在各个领域中的规模化 应用，如何认识和解决尺度效应问题是研究者一直关注的热点，介质阻挡放电作 为主要的产生大气压非平衡等离子体的方法，对其产生机理与放电特性的研究和 ， 分析是解决尺度效应的关键所在。 研究人员主要通过实验的方法对d b d 的机理及特性进行分析研究，但是实验 的方法易受运行参量、反应器构型等因素的制约和影响，往往会比较繁琐麻烦， 加之大气压等离子体诊断方法匮乏，使得通过实验的方法研究d b d 困难而繁杂。 随着计算机仿真技术的发展，通过对d b d 的放电过程进行模拟仿真则是一种方便 有效的研究手段，依据d b d 微放电的时空演化规律与分布特征，将引发d b d 微 放电以及微放电相互作用的单元结构关键参量等效成电路参量，建立d b d 微放电 体系的等效电路模型，其中单元结构关键参量包括电极间距，电极有效面积，未 被击穿部分面积，介质层厚度以及介电常数，相邻微放电通道距离等，以上结构 参量变化会直接影响其对应的电路参量值，进而影响到d b d 微放电效果。通过控 制关键结构参量的变化来模拟d b d 放电体系的时空演化过程，分析d b d 的放电 性能变化，以此来建立d b d 时空演化与电气等效模型的关联性，便于更加清晰的 对d b d 放电过程与机理的认识和了解，分析尺度效应的成因。 对d b d 的计算机电气仿真是近几年才逐渐发展的，相比于数值模拟仿真而言， 电气仿真模拟处于新兴阶段，还不成熟。目前研究人员所提出的d b d 微放电电气 等效模型中主要用可变电阻、齐纳二极管、可控硅变阻器、控制电流源等来等效 放电发生过程。前三种作为经典的等效模型，能够很好的模拟放电过程，其不足 户 之处在于电阻的变化是瞬时完成的，无法反应放电气隙击穿过程中电阻的变化， 埯 而后者可控电流源的模型受到研究者青睐，通过设置该模型的输出电流方程，可 以使得输出的放电电流随着激励电压的斜率变化，来模拟放电击穿过程中电路中 d b d 时空演化与等效电路模型的关联性研究 电流的瞬时增加以及随激励电压的变化，能够更加真实的反映放电过程，但是研 究者在应用该模型中存在的问题在于只是单纯的通过设定放电起始时间来控制电 流源的开关，无法真正反映放电的起始和结束。虽然研究者所提出的各种模型均 存在着优点与不足，但是都在特定的条件下、一定程度上反映了放电过程，也得 到了相关的研究成果 5 8 删。对于大气压辉光放电的仿真模拟相对较少，目前相对 成熟的、普遍的方法是通过压控电流源来模拟辉光放电中的电流，电流源受气隙 电压信号控制，当气隙电压满足条件时，电流源会向电路中输入一个随电压变化 的放电电流，以此来模拟辉光放电等离子体【6 1 1 。 3 2d b d 微放电等效电路 在介质阻挡放电中，由于绝缘介质层的存在，其绝缘作用以及带电粒子在其 上的低移动性，使得放电所产生的带电粒子能够很好的分布于放电空间中，进而 形成大空间、均匀的非平衡等离子体。介质层在d b d 中起到了至关重要的作用， 介质层等效电容的大小与输入到放电装置中的能量具有很大的关系，控制绝缘介 质的厚度和材质，可以有效的控制放电空间的能量注入，以此防止放电发展到火 花放电。气隙等效电容与介质层等效电容可以看成是许多微小电容单元的并联， 每个微小电容单元对应一个独立的微放电通道。 图3 1d b d 分布电容与微放电通道对应简图 f i g 。3 1d i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c eo f d b d 第3 章d b d 独立微放电的等效电路模型建立与动态仿真 因为介质阻挡放电的各种物理化学过程是发生在独立微放电通道中的，所以 对介质阻挡放电的研究根本是对其中的组成单元微放电的研究，进而对介质阻挡 放电的机理以及放电特性进行明晰的了解。由以上讨论可知，独立微放电通道必 然存在一个独立的放电空间与之一一对应，如图3 1 所示。独立微放电通道是由气 隙等效电容c g 、绝缘介质层等效电容q 构成的。考虑到d b d 中存在两种不同的 微放电模式，即微流注模式和微辉光模式，所以d b d 微放电等效电路分为微流注 模式等效电路与微辉光模式等效电路，是两种放电模式的结合。 上一节讨论到，放电电流正半轴微流注模式下放电的击穿可以等效为可变电 阻、稳玉, - - 极管、可控硅变阻器三种经典模型，本文在综合分析几种模型的基础 之上，确定微流注模式下放电的击穿通过电阻来等效，首先，将微流注模式下放 电的击穿等效为电阻可以简化模拟的复杂性。其次，该模型能够较准确的客观的 反应放电击穿过程，即击穿瞬间气隙的电导率增大。 放电电流负半轴微辉光模式下放电的击穿则等效为传统的受控电流源c c s ， 根据气体放电原理，辉光放电的电流与外加激励电压密切相关，f 芘u 3 6 1 】，因 此根据此关系式来确定受控电流源的输出放电电流。该模型能够真实的反应辉光 放电等离子体中的电流随外加电压的变化，而且简便易行，便于实现。 上 l i i s ， 一“l 邕 l 毋 2 单通道微放电电气等效电路图 f32e q i v a l e n tc i c u i to fs i g l em i r o - d i s c h a r g ec h n n e l d b d 时空演化与等效电路模型的关联性研究 基于以上思路，本章在相关研究人员的研究基础之上，建立了微流注、微辉 光两种放电模式共存的d b d 微放电等效电路。两种模式在同一电气等效电路中存 在，通过特殊的控制单元使正半轴发生微流注放电，负半轴发生微辉光放电。等 效电路图如3 2 所示。 由微放电的产生、发展与熄灭的原理，d b d 在击穿前后的电气模型不一样， 放电前，气隙未被击穿，独立微放电单元电气等效模型包括总等效电阻尺、介质层 有效电容。和气隙等效电容g 组成。放电后，如图3 2 所示，由于只考虑单通道 微放电，因此除了被击穿通道的气隙电容外，还存在未被击穿的气隙电容c d ，r 为该等效电路中总的等效电阻。o 为介质板有效电容，图中s l 、s 2 为受控开关， 由于微放电中存在两种不同的模式，且分别出现正负半周期内，即当气隙电压 为正，且大于或者等于击穿电压时，气隙被击穿发生微流注放电，开关s l 闭合， 并入电阻尺j 模拟气隙导通。当珞小于击穿电压时，微流注放电停止。当气隙电压 圪为负时，并且小于或者等于击穿电压的负数时，此时发生了前面提到的新的放 电模式，微辉光放电，开关s 2 闭合，受控电流源c c s 与功耗电阻飓接入电路中， 来模拟产生的微辉光放电。因为在微辉光放电中，放电电流与电压关系密切，所 以其中的电流源c c s 由一组与电压有关的函数方程来控制，当气隙电压珞大于击 穿电压的负数时，微辉光放电停止。该电气等效模型中的开关s l 、s 2 是关联的， 即两者始终只有一个是闭合的。 3 3 独立微放电动态仿真模型的建立与优化 3 3 1m a t l a b 仿真软件 研究者通过不同的仿真软件对于d b d 放电过程进行模拟，主要有a c s l ( 高 级连续仿真语言) 、p s p i c e 、p r o t e l 、m a t l a b 等仿真程序。p r o t e l 、p s p i c e 作为计算机大规模集成电路的设计软件，其仿真功能主要集中于大规模系统电路 的仿真，构造模块相对复杂，参数改变繁琐，可视化低。而m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真平台不仅能够实现非静态系统模型的搭建、模拟以及结果分析，而且在 模型搭建过程中无需编写程序，利用交互式图形化环境和可定制模块库，通 第3 章d b d 独立微放电的等效电路模型建立与动态仿真 过其中的g u i ，依靠简单的鼠标拖动便可完成建模，能够直观的观察仿真结 果，s i m u l i n k 对线性系统、非线性系统等都能很好的适用，其结构清晰、仿 真精细、高效率的优点使得s i m u l i n k 在动态系统仿真领域得到了广泛的应用。 本文在分析几种仿真软件的基础之上，结合d b d 放电过程，选用了m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真组件对d b d 微放电进行模拟分析。 典型的m a t l a b 仿真模型由三种要素构成：源模块、中心系统模块、显示模 块。源模块包括常数信号源如电压源、电流源，以及函数信号源如受控电流源、 受控电压源等，中心系统模块即用户仿真处理的系统，是仿真模型的主要研究问 题所在。显示模块包括示波器、x y g r a p h 等，主要作用是接收并显示系统的仿真 结果以及仿真数据的保存。其中三者的关系如下： 困 ! 匠 叠堕 审舵e 丑回 图3 3s i m u l i n k 仿真模型要素关系图 f i g 3 3r e l a t i o n a lg r a p ho fs i m u l i n k 3 3 2 独立微放电动态仿真模型的建立 根据3 2 节建立的d b d 独立微放电电气等效模型，在s i m u l i n k 仿真软件中 利用其模块数据库搭建了对应该等效电路的动态仿真模型，如图3 4 所示。 图中以为理想激励电压源，频率厂与幅值可调。r 为放电电路总等效电阻， a 为电流测量装置，图中岛、o 、g 、g 分别为放电后未被击穿电容、单通 道微放电等效介质层电容、气隙等效电容、测试电容，图中s l 为压控开关， 其输入信号为“l 、“0 ，其初始状态可以设置为闭合或者断开，若s 1 初 始状态设置为闭合，当输入的控制信号为高电平“1 时，s l 动作，状态由闭 合而改变为断开，当输入的控制信号为低电平“0 时，s l 不动作，保持初始 d b d 时空演化与等效电路模型的关联性研究 图3 4 单通道微放电动态仿真模型 f i g 3 4d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fs i n g l em i c r o - d i s c h a r g ec h a n n e l 状态不变。v l 、v 2 、v 3 为测量电压工具，并能够输出到示波器或者以数列形 式储存到文件中。v c l 、v c 2 是与常数比较模块，顾名思义，该模块中能够设 置基准常数的值以及比较的类型，若基准常数设置为1 0 ，比较类型为大于或 者等于，当输入信号为2 0 ，显示大于1o ，那么该模块的输出为高电平“l ， 否则为“o 。f c n 为函数模块，该模块有一个输入x 、一个输出y ，可以在 模块中编辑函数，使