（等离子体物理专业论文）大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 近年来，大气压辉光放电( a p g d ) 在许多领域发挥着重要的作用，其在刻蚀、沉 积、材料表面改性、杀菌、臭氧生成以及新型光源等领域的应用，引起人们越来越多的 关注。早在上世纪5 0 年代，低气压放电中就被发现存在着两种不同的放电模式，称为 q 模式和y 模式；近年来，大气压辉光放电中也被证实存在着两种不同的放电模式。a 模式下等离子体密度较低，但是稳定性好；y 模式下等离子体密度较高，但是稳定性不 好，容易转化为电弧放电。深入了解两种不同机制下的放电特性，对于提高辉光放电等 离子体的密度和保持其稳定性，以及其工业上的应用都有着极其重要的作用。 本文基于一维流体模型，对平行板电极结构中的射频大气压辉光放电进行了数值模 拟，深入探讨了其两种不同模式的放电特性。模拟结果显示，随着放电电流密度的增大， 等离子体密度也随之增大，放电由q 模式进入y 模式。第一种模式q 模式下，放电电流 密度相对较低，群等离子体电子从鞘层的收缩和扩张中获得能量。在第二种模式y 模式 下，放电电流密度相对较高。焦耳加热和电子碰撞能量损失在鞘层区域达到最大。多 b l j n 电压幅值为4 3 6 v 时，在阴极鞘层里的电子温度最高，达到6 4 4 e v ，阳极鞘层里最大的 电子温度为2 9 6 e v ，而群等离子体中的电子温度为2 e v 左右。同样的，在鞘层中的电 子产生源项也最大，其中阴极鞘层里的电子产生源项比阳极鞘层里的要大。在计算中发 现，外加电压幅值为4 3 6 v ，二次电子发射系数0 0 5 时，放电处于y 模式，而在其他条 件不变，二次电子发射系数减小到0 0 5 以下时，放电就不处于y 模式，而是处于a 模式。 可见二次电子发射在放电中起着至关重要的作用，二次电子发射系数越大，等离子体密 度越大。模型的有效性通过别人的实验及模拟结果得到了验证。 本文还基于电子、离子和亚稳态粒子的密度连续性方程，结合电流连续性方程，研 究了一维同轴电极结构下，反应气体分别是纯氦气和含少量杂质氮气的混合气体时，射 频大气压辉光放电中的放电模式及特性。同样的，在同轴电极放电中也存在着q 模式和 y 模式。模拟结果显示，不对称的放电结构对放电产生了较大的影响，上下半周期内的 电流密度和电压图像出现了不对称。电流均方值为4 0 m a c m 时( 放电处于q 模式) ， 上半个周期和下半个周期的电流密度峰值并不相等，相差为2 3m a c m ，气体电压幅值 相差为5 0 3 v 。且无论是在哪个模式中，等离子体密度在放电空间并非均匀分布，而是 从外电极到内电极，逐渐增大。杂质氮气对放电影响较大，能明显的降低发生模式转换 所需要的电压。当反应气体为纯氦气时，g t y 模式转换点对应的电压均方值为2 8 9 v ， 电流密度均方值为1 0 6 m a c m ，而当氦气中加入1 0 p p m 的氮气杂质时，其q y 模式转 换点对应的电压均方值为2 1 4 v ，电流密度均方值为1 3 4 m a c m 。 大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟 总所周知，深入了解大气压射频辉光放电的物理机制对于其工业应用十分重要，然 而一维模拟毕竟有较大的局限性。为了多角度深层次地研究大气压射频辉光放电，本文 基于二维流体模型，对平行板电极结构中的射频大气压辉光放电进行了数值模拟。随着 放电电流密度增大，鞘层电场强度增大，鞘层变薄。当电流密度增加到一定数值的时候， 发生鞘层击穿，等离子体在极板中央区域形成一个极强的放电通道，群等离子体沿着极 板方向发生收缩，随后放电进入了另外一种模式。这个现象和实验中的放电收缩极为相 似，并在实验研究中广泛出现。该通道中电场强度极大，在本文的计算中最大值达到 9 k v c m ，要远大于模式转换之前的电场强度4 k v c m 。在本文的模拟中，各种等离子体 参数达到稳定所需要的时间不一样，一般需要几百个电压周期。二次电子发射对放电模 式转换的发生作用明显。 介质阻挡放电存在着三种不同的放电形式。本文运用二维流体模型，对柱对称电极 结构中的大气压介质阻挡放电进行了数值模拟。在1 0 k h z 电压频率驱动下，放电出现了 同心圆筒放电结构。随着时间的改变，放电圆筒会发生径向演化。原先放电的区域放电 熄灭，原先未放电的区域开始放电，形成一个一个的放电环，交替放电。文中研究了电 子密度和电流密度空间分布随时间的演化效果。介质板上的电荷积累对放电的影响至关 重要。本文还从丝的分裂与合并来探讨了同心圆筒放电的产生和演化。 关键词：等离子体；射频放电；大气压辉光放电；模式转换；介质阻挡放电；数值模拟 大连理工大学博士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，u n i f o r ma t m o s p h e r i c p r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e ( a p g d ) h a sa t t r a c t e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e o u sp r o p e r t i e sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ， i n c l u d i n gs u r f a c ea c t i v a t i o n ，e t c h i n g ，c l e a n i n g ，d e c o n t a m i n a t i o n ，a n dt h i nf i l mc o a t i n g i nt h e l a s tf i f t i e s ，t w od i s c h a r g em o d e sn a m e dqa n dym o d ew e r ef o u n di nt h el o wp r e s s u r e g l o wd i s c h a r g e a n dt h ee x i s t e n c eo ft w od i f f e r e n td i s c h a r g em o d e sh a sb e e nv e r i f i e di na nr f ( r a d i o - f r e q u e n c y ) a p g d i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a tt h e am o d eh a sb e t t e rd i s c h a r g e s t a b i l i t y ，w h e r e a st h eym o d ep r o d u c e sm o r ea b u n d a n tp l a s m as p e c i e si n c l u d i n gc h a r g e d p a r t i c l e sa n dm e t a s t a b l e s n ed i s c h a r g ei nym o d et u r nt oa r ce a r i l ya n dt h i si sn o t r e q u i s i t e f o rc o n t i n u o u su s i n ga p g d ，p a r t i c u l a r l yo na ni n d u s t r i c a ls c a l e ，at h r o u g h u n d e r s t a n d i n go ft h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h et w om o d e si se s s e n t i a l i n t h i st h e s i s ao n e - d i m e n s i o n a ls e l f - c o n s i s t e n tf l u i dm o d e lf o rr fa p g d si su s e dt o s i m u l a t et h ed i s c h a r g em e c h a n i s m si nt h eym o d ei nh e l i u mb e t w e e nt w op a r a l l e lm e t a l l i c p l a n a re l e c t r o d e s t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h ea p p l i e d v o l t a g ei n c r e a s e s ，t h ed i s c h a r g ec u r r e n t b e c o m e sg r e a t e ra n dt h ep l a s m ad e n s i t yc o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e s ，c o n s e q u e n t i a l l yt h e d i s c h a r g et r a n s i t sf r o mt h e q m o d ei n t ot h eym o d e 。i nt h ef i r s tm o d e ，r e f e r r e dt o a m o d e ，t h ed i s c h a r g ec u r r e n td e n s i t yi sr e l a t i v e l yl o wa n dt h eb u l kp l a s m ae l e c t r o n sa c q u i r et h e e n e r g yd u et ot h es h e a t he x p a n s i o n i nt h es e c o n dm o d e ，t e r m e da sym o d e ，t h ed i s c h a r g e c u r r e n td e n s i t yi s r e l a t i v e l yh i g h ，t h es e c o n d a r ye l e c t r o n se m i t t e db yc a t h o d eu n d e ri o n b o m b a r d m e n ti nt h ec a t h o d es h e a t hr e g i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns u s t a i n i n gt h ed i s c h a r g e t h eh i g hc o l l i s i o n a l i t yo ft h ea p g d p l a s m ar e s u l t si ns i g n i f i c a n td r o po fd i s c h a r g ep o t e n t i a l a c r o s st h es h e a t hr e g i o n ，a n dt h ee l e c t r o nj o u l eh e a t i n ga n dt h ee l e c t r o nc o l l i s i o n a le n e r g y l o s sr e a c ht h e i rm a x i m ai nt h er e g i o n t h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o ni sc h e c k e dw i t ht h e a v a i l a b l ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ld a t a t h ed i s c h a r g ei np u r eh e l i u ma n dt h ei n f l u e n c eo fs m a l ln i t r o g e ni m p u r i t i e sa ta t m o s p h e r i c p r e s s u r ea r ei n v e s t i g a t e db a s e do nao n e d i m e n s i o n a ls e l f - c o n s i s t e n tf l u i dm o d e lb e t w e e nt w o c o a x i a le l e c t r o d e s t h es i m u l a t i o no ft h er a d i o f r e q u e n c y ( r 0d i s c h a r g ei sb a s e do nt h e o n e d i m e n s i o n a lc o n t i n u i t ye q u a t i o n sf o re l e c t r o n s ，i o n s ，m e t a s t a b l ea t o m sa n dm o l e c u l e s ， w i t ht h em u c hs i m p l e rc u r r e n tc o n s e r v a t i o nl a wr e p l a c i n gt h ep o i s s o ne q u a t i o nf o re l e c t r i c f i e l d t h r o u g hac o m p u t a t i o n a ls t u d yo fr fa t m o s p h e r i cg l o wd i s c h a r g e so v e raw i d er a n g eo f c u r r e n td e n s i t y ，t h i st h e s i sp r e s e n t se v i d e n c eo fa tl e a s tt w og l o wd i s c h a r g em o d e s ，n a m e l y ， t h eqm o d ea n dt h eym o d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ea s y m m e t r yo ft h ed i s c h a r g e s e te x e r c i s e sg r e a ti n f l u e n c et ot h ed i s c h a r g em e c h a n i s m sc o m p a r e dt ot h a tw i t hp a r a l l e l - p l a n e i 大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟 e l e c t r o d e s i ti ss h o w nt h a tt h a tt h ep a r t i c l ed e n s i t i e sa r en o tu n i f o r mi nt h ed i s c h a r g er e g i o n b u ti n c r e a s eg r a d u a l l yf r o mt h eo u t e rt ot h ei n n e re l e c t r o d ei nb o t hm o d e s t h ec o n t r a s t i n g d y n a m i cb e h a v i o r so ft h et w og l o w sm o d e s a r es t u d i e d s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o ns t r o n g l y i n f l u e n c e sg a si o n i z a t i o ni nt h eym o d ey e tm a t t e r sl i t t l ei nt h e n m o d e d i s c h a r g e m o d et r a n s i t i o ni sa l li m p o r t a n ti s s u ef o rw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n so f r a d i o f r e q u e n c ya t m o s p h e r ep r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e s ( a p g d ) t h i st h e s i sr e p o r t sas t u d yo f t h em o d et r a n s i t i o n ( c 【y ) i nr a d i o f r e q u e n c ya p g d su s i n gt w o - d i m e n s i o n a lf l u i ds i m u l a t i o n a tt h ea 丫m o d et r a n s i t i o np o i n t , t h ep l a s m ai ss h o w nt ou n d e r g ot r a n s v e r s ec o n t r a c t i o n i n d u c e db ya l li m b a l a n c eo ft r a n s v e r s ee l e c t r o nd r i f ta n dd i f f u s i o n 飘m i l et r a n s v e r s e c o n t r a c t i o no f t e nl e a d st oi r r e v e r s i b l em o d et r a n s i t i o ne x p e r i m e n t a l l y ，n u m e r i c a lr e s u l t s s u g g e s tt h a ti ti sr e c o v e r a b l ea n dw i t hi n c r e a s i n gd i s c h a r g ec u r r e n tt h ep l a s m as t a ll st oe x p a n d t r a n s v e r s e l ya n dr e s u m es p a t i a lu n i f o r m i t y an u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n c e n t r i c r i n gd i s c h a r g es t r u c t u r e sh a sb e e np e r f o r m e dw i t h i n t h es c o p eo fat w o - d i m e n s i o n a ld i f f u s i o n d r i f tm o d e la ta t m o s p h e r i cp r e s s u r eb e t w e e nt w o p a r a l l e lc i r c u l a re l e c t r o d e sc o v e r e dw i t ht h i nd i e l e c t r i cl a y e r s w i t har e l a t i v eh i g hf r e q u e n c y t h ed i s c h a r g es t r u c t u r e sp r e s e n td i f f e r e n ta p p e a r a n c e so fr i n gs t r u c t u r e sw i t h i nd i f f e r e n tr a d i i i nt i m ed u et ot h ee v o l v e m e n to ft h ef i l a m e n t s t h es p o n t a n e o u se l e c t r o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o n s h e l pt ou n d e r s t a n dt h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs e l f - o r g a n i z e dd i s c h a r g es t r u c t u r e s d u r i n gac y c l et h ee l e c t r o na v a l a n c h e sa r et r i g g e r e db yt h ee l e c t r o n i cf i e l ds t r e n g t h e n e db y t h ef e e d i n gv o l t a g ea n dt h er e s i d u a lc h a r g e dp a r t i c l e so nt h eb a r r i e rs u r f a c ed e p o s i t e di nt h e p r e v i o u sd i s c h a r g e s 1 1 1 ea c c u m u l a t i o no fc h a r g e si ss h o w nt op l a yad o m i n a n tr o l ei nt h e g e n e r a t i o na n da n n i h i l a t i o no ft h ed i s c h a r g es t r u c t u r e s b e s i d e s ，t h ef i l a m e n t ss p l i ta n du n i tt o b r i n ga n da n n i h i l a t ef i l a m e n t sw h i c hf o r man e wd i s c h a r g es t r u c t u r e k e yw o r d s ：p l a s m a ；r a d i o f r e q u e n c yd i s c h a r g e ；a t m o s p h e r ep r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e ； d i s c h a r g em o d et r a n s i t i o 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 ；n u m e r i c a lm o d e l l i n g i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目龃丝纽勉缉垫塑堕刽塑幽垒亟缝整鳖邀扶 作者签名： 煎圣! 翌日期：兰每年二l 月l 日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 气体放电与低温等离子体 气体放电是人们在自然界和日常生活中常见的现象，如闪电、日光灯等，人们研究 气体放电由来已久。气体放电物理是等离子体物理的重要组成部分。1 9 0 3 年，为了解释 低气压条件下的气体放电现象，汤森( j j t o w n s e n d ) 提出了气体击穿理论，引入了三 个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。汤森放电理论能解释气体放电 中的许多现象，如击穿电压和放电间距及气压之间的关系，以及二次电子发射等。但是 汤森放电理论解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等，另外汤森放电理论没 有考虑放电过程中的空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。电子雪崩 中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显地引起电场畸变，进而 引起局部电子能量的增加，加剧电离。针对汤森放电理论的不足，1 9 4 0 年左右，h r a t h e r 及l o e b 、m e e k 等人提出了流击穿理论( s t r e a m e r ) ，弥补了汤森放电理论中的一些缺陷， 能有效地解释高气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善j 。 气体放电是产生低温等离子体的主要途径。所谓的低温等离子体是区别于核聚变中 高温等离子体而言的，在高温等离子体中等离子体的温度要达到1 0 0 0 0 e v 以上，而在通 常的研究和工业用低温等离子体中，电子温度在几个到几十个电子伏特之间。 低温等离子体放电产生一个活性高的环境，包括带电粒子，激发态粒子，原子团，光子， 且由于它们在经济和技术上许多领域潜在的应用价值，受到越来越多的关注【2 刁】。越来 越多的研究扩展了低温等离子体的应用范围，包括生物化学 8 - 1 3 、显示器 1 4 】、放射源 1 5 - 1 6 l 、 化学分析系统【1 7 1 、气体分析烈18 1 、光探测器【1 9 】、激光器【2 0 】、动态的微波设备 2 1 , 2 2 】、推 进器【2 3 】、空气动力控制器【2 4 】、材料处理和环境应用等【1 2 2 6 1 。 低温等离子体可以在很广的压强范围内获得。从帕邢定律【3 】中可以看出，高压有利 于产生体积较小的等离子体。实际上，对于空间只有几百个微米的放电来说，大气压是 有利条件。压强低到几十m t o r r 2 7 1 和高到几十个大气压【2 8 】的低温等离子体放电都被研究 过。对于那些需要碰撞鞘层，比如细长管道的溅射薄膜覆盖，低气压的操作比较合适【2 州。 一般情况下，尺度较小( 几微米到几毫米) 的等离子体放电所需的压强比尺度较大的等 离子体源所需要的压强要高。 低温等离子体源的寿命在评价等离子体源应用性时是需要考虑的因素。对于一次性 的设备，几个小时的寿命已经足够。对非一次性设备则需要更长的寿命。限制等离子体 源寿命的关键因素就是常见的高能粒子击坏电极。尺寸较大的放电中溅射对反应器寿命 的影响有限，但是对于尺寸较小的放电来说，溅射可以在几个小时之内给等离子体源带 大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟 来灾难性的毁灭 3 0 , 3 1 1 。电极被侵蚀不仅限制了设备的使用寿命，并且会成为一个污染源。 总的来说，无电极的设计、低气压、高碰撞鞘层【3 2 】、保护层( 等离子体显示器上的m g o ) 、 合适的气体选择、低的游离电势( 例如，无偏压，高频率激发) 能够增加设备寿命。 1 2 低温等离子体源的分类 本文描述了部分低温等离子体源和产生低温等离子体的不同方法。为了方便描述， 按照激发频率和电极结构进行了分类。在讨论不同种类等离子体源之前，先介绍等离子 体源的一些基本情况。 气体：产生低温等离子体所用的气体视具体情况而定。应该说，很多情况下都是惰 性气体( 氦、氖、氩、氙) 。对于大气压下的操作，氦气被广泛运用，因为氦气比其他 的任何气体都容易得到扩散的辉光放电( 氦较高的热传导率会阻止热不稳定性的扩展) 。 另外，反应中气体流速通常较大( 1 1 0 0 升分钟) 。从经济方面考虑，放电应该在较低 的流速下进行操作。然而不幸的是，低流速的操作会导致空气进入等离子体源，引起不 稳定，甚至放电熄灭。在空气中进行操作比较困难，很少人能够获得低能量大气压空气 等离子体1 3 3 】。 激发频率( w ) ：低频率( d c 、a c ) 放电有成本低的优点。然而从性能的角度来 看，高频有如下特点：高频场需要的气体击穿电压比直流场低，峭层里的电压降为w 2 。 因此，高频意味着较少的能量传输给正离子( 在大气压等离子体中常常会加热反应气体， 导致放电结束) ，可以产生更多的有效等离子体，延长设备的寿命。另外，高频能量源 一般都比较昂贵。高频低z 日匕l - , 量的等离子体目前已经在电话通讯和扩音器方面得到应用。 在较大尺寸放电中，脉冲等离子体优势很多。脉冲放电能够提炼出活性负离子，可以减 少平均能量消耗，这对使用电池的设备尤为重要。脉冲放电最大的好处就是可以得到高 能电子而放电气体却保持室温不变。放电阶段产生的高能电子能保持系统新的化学平 衡，而不会造成连续的波激剔3 m j 。 均匀性：介质阻挡放电经常会得到辉光，斑图和丝状放叫3 5 】。这些现象还远未被完 全了解，需要更多的研究p 引。辉光放电受到最多关注，因其容易控制且均匀稳定。 1 、直流和空心阴极放电 直流放电比较简单而且易于操作。因此很多研究小组研究了这类放电，图1 1 给出 了一些电极结构。 大连理工大学博士学位论文 q p 唧凸 图11 各种不同的直流放电源：曲平行板电极洲b ) 柱抗的空心阴极”“，c ) 反转锥形空心阴 极，曲金属一绝缘俸- 金属空心阴极，e ) 阴极边界层1 ”， 三电撮源。“，0 微放电通道，h ) 有同格 阳极的放电通道型通道“，1 ) 插入式阳极的放电型通道1 实心颜色的部分代表金属电楹板，带阴 影部分代表介质板 p 粤1 _ ls c h e m a t i co f v a r i o u sd cp l a s m a a ) p 删l e le h 椭d e jb ) c y l i n d f i c a lm i c r o h o l l o w c a t h o d e p l , c ) i a v c r t t x lp y r a m i d a lm i c r o h o l l o wc 拙o d c p 目d ) m e t a l - m s u l a t o r - m e t a lm i 盯o h o f l o wc a t h o d e e ) c a t h o d eb o u n o a r yl a y e r p g , t ) t w e ee l e 曲c d e ss o u r c e 刚，g 砌啪n l b e s ，h 脚饿m l b ew i t h 埘d 曲o d e l l 鼍 a n di ) 啪l c r u u b ew i 血i a s e r t e da n o d s o l i dc o l o m ，r e p r e s e n tm e t a te l e 曲 o d e sa n dh a t c h e do b j e c t s r e p l e s e a t d i e l e c t r i c m a t e d a l s 直流情况下，气体击穿是由帕邢定律来描述的，击穿电压是p d 值的函数，p 是气压， d 是间距。在大多数情况下，击穿电压最小值出现在p d 值为o 1 i o t o r r 锄时因此一 般大气压下的间距是1 0 0 pm 。有两个因素会使放电偏离帕邢曲线。一个是场致发射。 当电极间距减小的时候，电场增强，会引起场致发射。场致发射会影响帕邢定律左边的 放电，而且一般出现在间距小于l o u m 的直流放电中】。引发场致发射的域值电场与 电极材料有关，对于金属一般是k v um - 1 量级。其阈值电场与电极表面情况( 污染和 粗糙程度) 有很大关系，而且会被阴极附近的正离子降低( 正离子增强电场发射) 。突 起或纳米结构也会增强局域电场并且降低发射阈值。举个例子，对碳纳米管的场致发射 通常舍在电场1 - l o v 蛐。1 时引发脚】。另一种偏离帕邢曲线的情况发生在高压的时候。当 压强增大的时候，气体逼近超l 临界状态，统计学的密度波动能导致位于帕邢曲线右边的 击穿电压下降i 引。 w哆一 ，警v 聒 大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟 直流放电源最大的局限在于其短暂的寿命。早期的直流放电等离子体源有几个小时 的寿命 3 q 。尽管高压强低电流密度以及低溅射材料可以延长直流放电源的寿命【3 引，但是 这仍然是需要解决的难题。阴极不断的遭受高能离子轰击，不但会毁坏电极，而且会使 放电熄灭。该现象被应用于微加工的液体电极【4 3 】来产生金属等离子体蒸汽，从而在液体 中探测金属。尽管电场发射器可以用来减少维持放电所需电压，实验方面纳米管被沉积 在阴极上的研究【4 4 j 和计算模拟结果显示，电场发射电流及放电电压的减少量都比较少， 阴极腐蚀不可避免。 空心阴极结构被用来获得高密度的等离子体。这种结构增加了电子到达阳极之前发 生的碰撞次数，提高了等离子体密度【4 5 1 。尽管如此空心阴极也遭遇到了高能离子轰击带 来的寿命问题。因为放电能达到很高的密度( 1 0 1 41 0 1 6 c m 。3 大气压下【4 6 】) ，对电极的热 破坏也应该考虑进来。空心阴极里面的气体温度会达到几十度。因此空心阴极的电极通 常会用耐热和低溅射率的材料，比如m o 来制造。实验和计算研究显示在这种情况下的 电子能量分布函数有一个较高的能量尾状，其能量达到所加电压的能量 4 5 , 4 8 。 直流放电通常是处于异常辉光阶段，放电会得到一个正的微分阻抗。这使得放电的 平行结构不需要外部镇流器【l6 ，删。在实验中，薄膜电极间的电场分布影响着其间的均匀 性并且限制微放电的数目小于1 0 0 4 9 1 。而在频率范围1 - 2 0 k h z 内通过交流激发可以达到 2 5 0 0 0 0 个微放电 4 9 - 5 0 】。 2 、介质阻挡放电 介质阻挡放电( d b d s ) 有两个电极，其中至少有一个电极覆盖着介质层。已发表 的文献中有各种各样的电极结构，图1 2 个给出了其中几种。因为介质层阻挡了直流电 流通过电路，d b d 一般在交流下进行，通常在k h z 范围内。 一4 一 大连理工大学博士学位论文 舀璺目昏竺刍k ! ，一9 h 卜壬 寄曙渤 图12 舟质阻挡放电的结构：曲同面的盼“o ，b ) 平行板肺铲”c ) 共轴的电极“1 d ) 毛细管 等离子体电极放电“4 ，e ) 锥形i ) 8 d ”1 神毛细管放电等离子体铅笔等离子体喷射潭删。实心颜色 部分代表了金属电机，阴影部分代表了介质 f i g 】2s c h e m a t i c s o f d l e l t m t r i cb a r 曲m i 们血蜘：a ) c o p l 姐a r d b i ，u ；b 训训p l m c d b d p “， c ) c x i a id b d ，d ) c a p i u qp l a ae l e c t r o & d i sc h l 谢鼍e ) p y r “d b d ”。la a dp m p i l l m y d i s d i 嘶i a 女mp e n d 坤l a m mj d 吲t h e 蛐dc o ! c or e p r 8 e a t sm m ie k c 帅d e sm dh a t c h e do b j c 船 i e p c e n t d l e k 蛐 i c m a t e r i a l s 介质层不但可以保护电极，而且对于放电特性有很大的影响。介质表面积累的电荷 会产生一个和外加电压反向的电压，这可以限制放电电流井控制辉光- 电弧的转化。同 时，前半周期积累的表面电荷对于下半周期的放电起加强作用。表面电荷的这种双重作 用会导致丝状放电，其特点是放电持续时间比a c 周期要短得多。在有些情况下，丝会 固定在空间某些地方形成固定的斑图口】，有的时候会随机分布，但是对矧琅来说却表现 均匀嘲。除了丝状放电还能得到辉光放电i 】。在应用上，因为辉光放电具有可预见性、 均匀性，更受欢迎。尽管如此，辉光d b d 应算低密度放电。种子电子、光发射、光离 子化这些都对均匀辉光放电有重要作用啪】。 除了k h z ，在其他频率范围内的d b d 也被广泛研究田】。当频率达到m h z 时，介质 板就像震荡电阻器一样，来维持放电的稳定。在这种情况下，d b d 中的电流图像并没 有像低频d b d 那样出现尖峰，而是像c c p 那样近似正弦形p q 。在低频( 几十k h z ) 时，介质板被高阻抗的材料代替，这就是所谓的电阻阻挡放电( 髓d ) 。电阻层的作用 就是用来提高放电均匀性的镇流嚣睇l 。到目前为止，最受欢迎的小尺寸d b d 就是等离 子体显示板( p d p ) 。每个p d p 像素由三个d b d 微放电源组成( - - 原色) 【l q 。一般会 在n e ，x e 混合物5 0 0 t o r t ( 7 m a ) 中放电。x e 去激发发出的u v 光被红蓝碌的磷光粉 大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟 转化为三原色。p d p 是一个很好的例子，用来证明微放电源可以平行放置，以产生大面 积放电。超过1 0 0 英寸大于2 0 0 万像素的p d p 已经商业化。另外一个引起广泛关注的 是等离子体炬( 或称作等离子体铅笔，毛细管放电) 。见图2 f 3 4 , 5 3 , 5 9 , 6 0 1 。在这种设备中， 气体流经介质管，外面的环状金属电极用来引发放电。尽管放电看起来像一束等离子体， 纳秒照片显示看上去均匀的放电实际上是一系列连续的“等离子体子弹”【5 3 】。令人惊讶 的是，这些子弹以超越流速的速度前进，最开始顺流被加速，而且能够运行几厘米【5 9 】。 尽管物理方面关于这个有许多未解决的问题，但是其有广泛的潜在用途，如生物医学和 材料处理等。 3 、科罗拉放电 科罗拉放电由两个非对称的电极组成。一个电极有着十分尖锐的曲率形状，另外一 个平滑一些。这会导致两个电极间的电场不均匀，而且在曲率较大的电极周围电场很强。 当电场强度超过某一临界值，尖锐电极附近就会形成科罗拉放电。因此电场不均匀，而 且放电很可能只是维持在高曲率电极附近。当放电源靠近金属或者介质物质时，等离子 体会伸展开来达到其表面进行处理。文献中已经讨论过d b d 科罗拉放电和辉光科罗拉 放叫6 。大部分科罗拉放电会用钉子，针，狭缝等结构2 1 。 科罗拉放电可以通过其特性和激发频率来分类。直流科罗拉用于流控制放电【2 4 1 ，射 频科罗拉用于生物医学方面【6 3 】和材料处理【6 l 6 4 1 。尽管科罗拉放电较弱，其产生的激发态 对于某些应用已经足够了。平行结构也被用来处理大表面情况【6 5 1 。 4 、射频电容耦合等离子体 电容耦合等离子体源( c c p ) 在半导体工业上被广泛采用，在过去的几十年里也被 科学界广泛研究【3 1 。一般频率为1 1 0 0 m h z 。很多研究小组都在进行相关的研究，一些 结构图如图1 3 。 大连理工大学博士学位论史 勺龟甓 卜_ j 亡= = = * _ j 一 图1 3 射额电容耦台等离子体：曲金属平行板电极删，螭介质层的平行板电极唧0 格点电板 【阃，d 懒状电极嗍，0 同轴射流删 啦! 3s c h e m a t i c s o f r f q a c 砒v 嘶e o u p i e d m i o x ) p l a ：a ) p a r a n e l p l a t e w i t h b a r ee l e c t r o d e s t ”, b ) p a r a l l e lp l a t ew i t hd l e l t m x le l e m o d e s t 6 7 1 ，c 捌dd e c ，d ) c o m be l e c i h 吧m d e ) c o a x l a l j e t c c p 放电有许多大尺寸等离子体的性质例如可产生辉光等离子体，有口和y 模式 【”】。高压放电易于收缩，易于转向弧光放电。基于这个原因，介质层被用来使放电稳定。 c c p 通常会产生比科罗拉放电和d b d 放电密度更高的等离子体尽管如此，因为c c p 里面的电场是指向电极的，所产生的离子密度也就受到限制。更高的频率限7 3 l 可以减少 鞘层里的电压降，这使得电子获得能量效率更高。必须指出的是，频率增大引起对于电 子的能量传输效率变高，但这并不意味着等离子体密度增大。在有的条件下，较高的频 率会导致电子温度的增长 q 。 5 、射频电感耦台等离子体 射频电容耦舍等离子体( c c p ) 由于其高效、简洁、离子流( 密度和能量) 易控制 而闻名嘲。图1 给出了一些常见的结构。 大气压射频辉光救电模式转换机制的流体力学模拟 磐- 图i a 电感耦合等离子体的放电结构：砷线腰状，b ) 平面螺旋状嗍，c ) 线圈加细丝状i 伺，由 曲线状嗍 啦l 4s c h e m m i e so fi n d u c t i v e l yc o u p l e dm i c r o p l r a as t l l l l c e s ：a ) c o i l m ，b l a ms p i r a l ”， c ) c o i l 口e m 吧a n d d ) s c r p c n l i n e v q i c p 源没有电极，电场平行于电容器，因而鞘层里能量损失、极板腐蚀、污染都