（等离子体物理专业论文）大气压介质阻挡放电物理过程的数值模拟.pdf

大气压介质阻挡放电物理过程的数值模拟 摘要 大气压介质阻挡放电装置结构简单，不需要昂贵复杂的真空系统，能在大范围功率下 工作，具有广泛的开发和应用前景。作为大气压条件下获得非平衡态等离子体的主要手段， 介质阻挡放电近年来在实验和理论上都得到广泛的重视和研究。但是由于等离子体中的带 电粒子、中性原子分子和活性基团的物理化学过程十分复杂，同时许多在低气压的诊断方 法在大气压条件下失效造成诊断手段的缺失，许多放电基本特征参数无法从实验测量中获 得，使得当前对大气压介质阻挡放电的物理过程认识还未清楚。因此，对其进行数学建模 和计算机数值模拟成为了研究和认识大气压介质阻挡放电过程的主要手段。 本文采用二维流体模型对大气压条件下平行板结构介质阻挡空气放电进行了数值 模拟，研究大气压介质阻挡放电形成和发展的物理过程。对于模型的质量连续方程和 耦合电场泊松方程分别采用有限差分一流体通量修正方法( f d f c t ) 和切比雪夫加 速( s h e b y s h e va c c e l e r a t i o n ) 超松弛迭代方法( s o r ) 进行求解。 通过比较不同初始条件下的电子密度分布演化、电场分布演化、放电电流以及放电过 程的传播速度的变化，得出结论如下： 放电过程可以划分为四个阶段：( 1 ) 、电子雪崩过程，( 2 ) 、流注形成，( 3 ) 、流注传播过 程，( 4 ) 、放电熄灭消退。 在雪崩过程初始阶段，电子数量不断增大，雪崩轮廓呈楔形，可见雪崩半径正比于轴向 距离z 。当横向雪崩尺度达到特征电离长度l 屈o 1 咖时，由于排斥漂移，径向电子雪崩 快于电子扩散效应，雪崩头部展宽速度骤减，随后的雪崩的发展中雪崩轮廓尺寸没有明显 变化。 当阳极附近荷电粒子密度和电场满足流注形成m e e k 击穿条件时，阳极附近局部本征 电场向阴极返回，流注形成并开始向阴极传播。此后在流注头部局部区域中本征电场不断 变大，气体电离不断增强，空间电子密度变大，向阴极运动速度不断增大，即进入流注传 播过程。 在流注传播过程中，流注头部空间电荷的累积使空间电场变得更大，使得电离率显著 增大，另外还产生激发态粒子释放出光子，发生光电离。碰撞电离和光电离产生大量二次 电子，出现二次电子雪崩，空间电子密度急剧增大，产生指向阴极的电离波。 大气压介质阻挡放电物理过程的数值模拟 流注传播过程结束后，臻下来的数微秒内那些大质量慢速度的离子滞留在放电间隙 空间中。放电时导电通道里的电子沉积在阳极上，电荷累积形成与外电场反向的电场。通 道中的电场强度被削弱，在外电场反向前新的雪崩和流注不能生成，放电进入熄灭消退阶 段； 需要指出的是：光电离项对放电影响很大，特别是在流注传播后期对流注传播速度 有加速作用。在采用数值模拟过程中，光电离效应是不应该忽略的影响放电的因素。 关键词：大气压等离子体，介质阻挡放电，流体力学模型，数值模拟，通量输运修正算法， 超松弛迭代方法 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd 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 ) p l a s m a sa ta t m o s p h e r i cp r e s s u r e a b s t r a c t d i e l e c t r i c b a r r i e r - d i s c h a r g e s ( d b d s ) a ta t m o s p h e r i cp r e s s u r eh a v eal a r g en u m b e ro fi n - d u s t r i a la p p l i c a t i o n sb e c a u s et h e yc a nb eo p e r a t e da ts t r o n g l yn o n - e q u i l i b r i u mc o n d i t i o n s a n da tr e a s o n a b l eh i g hp o w e rl e v e l s ，w i t h o u tu s i n gs o p h i s t i c a t e dp u l s e dp o w e rs u p p l i e sa n d e x p e n s i v ea n dc o m p l e xc o n f i g u r a t i o no fv a c u u ms y s t e m a sam a i nf e a s i b l em e t h o dt op r o - d u c ea t m o s p h e r i c a lp r e s s u r ep l a s m a ，t h ed b d sh a v e b e e ns t u d i e de x t e n s i v e l yi nt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t si nr e c e n ty e a r s h o w e v e r ，d u et ot h ec o m p l i c a t e dp r o c e s s e so fc h a r g e dp a r - t i c l e s ，n e u t r a la t o m sa n dm o l e c u l e s ，a n dt h ea c t i v er a d i c a l si nt h ed b d d i s c h a r g e s ，a n da l s o o w i n gt ot h el a c ko ft h ep r o p e rd i a g n o s t i c si na t m o s p h e r i c a lp r e s s u r ep r e v e n t i n gt h em e a 广 s u r e m e n ta n do b s e r v a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fd b d p l a s m a s ，u pt on o wt h em e c h a n i s m o fd b d si ss t i l ln o tf u n ye x p l a i n e d t h en u m e r i c a lm o d e f i n ga n ds i m u l a t i o nw i l lp r o v i d ea n e s s e n t i a lt o o lt oi n v e s t i g a t ea n du n d e r s t a n dt h ed b d p l a s m a s i nt h et h e s i s t w od i m e n s i o n a ld i f f u s i o n - - d r i f tf l u i dm o d e li su s e dt os i m u l a t ea n ds t u d y t h eg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s e so ft h ea t m o s p h e r i c a lp r e s s u r ea i rd b d p l a s m a s i np l a n e p a r a l l e lc o n f i g u r a t i o n i ns i m u l a t i o n ，t h ep a r t i c l ef l u xc o n t i n u i t ye q u a t i o n sa n dt h e c o u p l i n gp o i s s o n se q u a t i o na r es o l v e db yt h ef l u x - c o r r e c t e dt r a n s p o r tt e c h n i q u e ( f c t ) a n d t h ei t e r a t i v es y m m e t r i cs u c c e s s i v eo v e r - r e l a x a t i o n ( s o r ) m e t h o dw i t hc h e b y s h e v ( s e m i - i t e r a t i o n ) a c c e l e r a t i o nr e s p e c t i v e l y t h et e m p o r a la n ds p a t i a ld e v e l o p m e n to fc h a r g e dp a r t i c l ed e n s i t i e s ，e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ， d i s c h a r g ec u r r e n ta n dd i s c h a r g ep r o p a g a t i o nv e l o c i t yd u r i n gt h ep r o g r e s s i o no fd i s c h a r g e si n d i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e da n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ： t h ep r o c e s s e so fd b d sh a v ef o u rp h a s e s ：( 1 ) a v a l a n c h ep h a s e ；( 2 ) s t r e a m e rf o r m a t i o n p h a s e ；( 3 ) s t r e a m e rp r o p a g a t i o n ；( 4 ) f o r m a t i o no fs u r f a c ec h a r g ea n dd i s c h a r g eq u e n c h i n g i nt h ei n i t i a ls t a g eo fa v a l a n c h ep h a s e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee l e c t r o n s ，t h ev i s i b l e a v a l a n c h eo u t l i n ei sw e d g e - s h a p e da n dt h ev i s i b l ea v a l a n c h er a d i u si sg r o w i n gl i n e a r l yw i t h t h ea x i a ld i s t a n c ez w h e nt h et r a n s v e r s ea v a l a n c h es i z er e a c h e st h ec h a r a c t e r i s t i ci o n i z a t i o n l e n g t ho 0 1 c mt h eb r o a d e n i n go ft h ea v a l a n c h eh e a ds l o w sd o w nd r a m a t i c a l l y t h e nt h e a v a l a n c h ep r o p a g a t e sw i t h o u te v i d e n ts i z ec h a n g e w h e nt h ec h a r g e dp a r t i c l e sd e n s i t ya n dt h ee l e c t r i cf i e l da d ja c e n tt ot h ea n o d eb a r r i e r r e a c ht h es t r e a m e rf o r m a t i o nc r i t e r i o nm e e k c o n d i t i o n ，t h ei n d u c e de l e c t r i cf i e l ds t a r tt os h i f t t ot h ec a t h o d e t h es t r e a m e ri ss t a r t e da n dp r o p a g a t e st oc a t h o d e a c c o m p a n yw i t ht h i s ， t h ee l e c t r i cf i e l di nt h ef r o n to fs t r e a m e ri n c r e a s e sc o n t i n u o u s l ya n dc a u s e st h ee n h a n c e m e n t o ft h ei o n i z a t i o n s ot h ee l e c t r o nd e n s i t yi n c r e a s e dr a p i d l y , w h i l et h em o v es p e e dt oc a t h o d e b e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e r t h ed i s c h a r g ee n t e r st h es t r e a m e rp r o p a g a t i o ns t a g e d u r i n gt h ep r o p a g a t i o n ，t h es t r e a m e rc a u s e st h ea c c u m u l a t i o no ft h ec h a r g e si nt h ef r o n t o ft h es t r e a m e rh e a da n di n c r e a s et h ee l e c t r i cf i e l dg r e a t l y t h i se n h a n c e st h ei o n i z a t i o n r a t ee n o r m o u s l y a ts a m et i m et h ee x c i t e dp a r t i c l e sa r ep r o d u c e d ，w h i c he m i t t i n gp h o t o n s p r o d u c ep h o t o i o n i z a t i o n t h ec o l l i s i o na n dt h ep h o t o ni o n i z a t i o n sg e n e r a t eal a r g en u m b e r o fs e c o n de l e c t r o n sa n di n i t i a t es e c o n d a r ya v a l a n c h e s ，r e s u l t i n gt h ee n o r m o u si n c r e a s eo ft h e e l e c t r o nd e n s i t yi nt h eh e a do fs t r e a m e ra n di n d u c et h ei o n i z ew a v et oc a t h o d e w h e nt h es t r e a m e rc o n n e c t st ot h es u r f a c e ，p o s i t i v es p a c ec h a r g ei sd r o p p e do n t ot h e c a t h o d eb a r r i e ra n di st r a n s f o r m e di n t os u r f a c ec h a r g e s u b s t a n t i a l l o c a lf i e l de n h a n c e m e n t s a r en o we s t a b l i s h e da tb o t hb a r r i e rs u r f a c e s ，a n dar e l a t i v e l yh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n c o v e r st h er e m a i n i n gg a p a ss u r f a c ec h a r g ed e n s i t i e sa r ef o r m e do nt h eb a r r i e r s ，t h ea i rg a p e l e c t r i cf i e l dd e c r e a s e sa n db e c o m e sl e s $ t h a nt h ei o n i z a t i o nt h r e s h o l d t h e nn e wa v a l a n c h e s a r ep r e v e n t e da n dt h ed i s c h a r g ee x t i n g u i s h e d i t i sw o r t he m p h a s i z e df r o ms i m u l a t i o nt h a tt h ep h o t o i o n i z a t i o ni si m p o r t a n td u r i n g t h es t r e a m e rp r o p a g a t i o np h a s et oc a u s et h eh i g hv e l o c i t yo ft h ei o n i z a t i o nf r o n ta n dt h e b a r r i e rd i s c h a r g ee x p a n s i o na l o n gt h ec a t h o d ed i e l e c t r i cs u r f a c e z h a n gw e n - j i n g ( p l a s m ap h y s i c s ) s u p e r v i s e db yp r o f z h o n gf a n g - c h u a n k e y w o r d s ： a t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m a s ，d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，f l u i dm o d e l s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u x - c o r r e c t e dt r a n s p o r ta l g o r i t h m s ( f c t ) ，s u c c e s s i v eo v e r - r e l a x a t i o n m e t h o d ( s o r ) 汤生电离系数： q 第二汤生系数( 粘滞系数) ： 卵 电子一正离子复合系数：风口 负离子一正离子复合系数： 风口 电子浓度： 佗。 初始电子浓度：礼加 正离子浓度： 佗口 负离子浓度： 佗n 电子漂移速度：w o 正离子漂移速度： 负离子漂移速度：厩 电子的扩散系数：d 。 二次电子发射系数： x 电子雪崩半径：r b 空间电荷自感应( 本征) 电场强度： 外电场强度：岛 ( 计算) 电场强度： e 流注电流： 1 8 流注头部半径：r 流注速度：仉 电子电荷：e 真空介电常数：o 符号说明 相对介电常数：矗 放电电流： i 口 介质表面积累电荷密度： 仃 电离碰撞次数：r 帆 电离光子数：风 光电离率： 皿 光电离( 密度) 变化率：& l l 扩散系数：7 修正扩散系数： p 反扩散系数：血 超松弛因子： j a c o b i 方法谱半径：j d j 蒯 气体电离率： 电极间距：d 既气体气压：p 标准大气压： r 。 电子温度：正 平均电离频率：耽 中性气体密度：n ，n o 气体温度：l 放电寿命： 丁 1 i 表格目录 两种放电特性比较 t a b 1 1 ：t h ec o m p a r i s o no fc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ng l o wd i s c h a r g ea n dd b d s 5 2 1 计算汤生电离系数a 的参数a 和口【2 1 t a b 2 1 ：n u m e r i c a lp a r a m e t e r saa n dbf o rc a l c u l a t i o no ft h et o w n s e n d c o e 盘c i e n tq ，。，。，。 1 2 插图目录 1 1 脉冲电晕放电( 左为针饭电极结构放电原理图，右为放电实例 2 j ) 。 f i g 1 。hp u l s e dc o r o n a ld i s c h a r g e ，t h el e f ti sas c h e m eo fn e e d l e - - p a ne l e c t r o d ed i s - c h a r g e ，t h er i g h ti sas a m p l ep i c t u r eo ft h ed i s c h a r g e 2 1 2 滑动电弧放电( 左为放电原理图，右为放电实例f 2 j ) 。 f i g 1 2 ：g l i d i n ga r cd i s c h a r g e ，t h el e f ti sas c h e m eo ft h ed i s c h a r g e ，t h er i g h ti sa s a m p l ep i c t u r eo f t h ed i s c h a r g e 3 1 3 介质田l 挡放电结构原理图。 f i g 1 3 ：t h es c h e m eo fd b d s 。i nc o n f i g u r a t i o no fp l a n e - - p a r a l l e la n dw i r e - - c y l i n d r i c a l 4 1 4 平行板介质阻挡放电实例图样。 f i g 1 4 ：as a m p l ep i c t u r eo fd b d s ，a ta t m o s p h e r i cp r e s s m ec o n d i t i o n 4 3 t l 二维轴对称介质阻挡放电模型结构，计算区域为放电中心圆枝区( 耽( 2 d 6 + 如) ) 。 f i g 3 1 ：a x i a l - s y m m e t r i ce l e c t r o d ea r r a n g e m e n td i s p l a y i n gt h et w o - d i m e n s i o n a ld i e l e c - t r i cb a r r i e rd i s c h a r g em o d e l 1 7 4 1 模型结构网格划分，红色部分以内为讣算区域。 f i g 4 。l ：t h es c h e m eo fm e s h e dg r i df o rc a l c u l a t i o n 。， 2 3 4 2 。在电介质一空气边界上格点( ，j ) 处的高斯箱格( g a u 8 s i a ap i l l b o x ，红色线框) 。 f i g 。4 2 ：t h eg a u s s i a up i l l b o x ，a tt h e ( i fj ) g r i dp o i n t ，ad i e l e c t r i ca i rb o u n d a r y t h e s h a d e dr e g i o ni sad i e l e c t r i c 2 5 4 3 初值问题讣算示意图，随时间讣算方向用箭头标m ，红色线框为差分计算区域。 f i g 4 3 ：i n i t i a lv a l u ep r o b l e m 。c o m p u t i n gs u c c e s s i v er o w so fo p e nd o t si nt h ed i r e c t i o n s h o w nb yt h ea r r o w s 2 6 4 4 边界值闯题计算示意图，红色线框为筹分计算域，区域内a 点和边界上b 点差分示 意。 f i g 4 。l ：b o u n d a r yv a l u ep r o b l e m f i n i t e - d i f f e r e n c er e p r e s e n t a t i o no nat w o - d i m e n s i o n a l g r i d ，2 6 大气j 玉介质阻挡放电物理过程的数值模拟 4 5 有限差分方法引起的数值扩散，i ；i j 影为实际物理图像虚线为数值计算结果。 f i g 4 5 ：t h ep r o p a g a t i o no fd e n s i t yd i s c o n t i n u i t yt h r o u g hf o u rs t e po fi n t e g r a t i o n t h e n u m e r i c a ld i f f u s i o na p p e a r sd u et ot h ef i n i t eg r i dr e s o l u t i o n 2 8 5 1 放电初始时和电子雪崩头部达到阳极时的空间电场分布( a ) ：t = 1 5 9 1 8 # s ：( b ) ：t = 1 5 9 4 3 # s ( 阴极和阳极阻挡介质表面分别位于圈中z = l m m 和z = 4 r a m 处) 。 f i g 5 1 ：e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft = 1 5 9 1 8 # sa n dt = 1 5 9 4 3 # s ( c a t h o d ea n da n o d e b a r r i e rs u r f a c e sa r el o c a t e da tz = l m m a n d 名= 4 r a m r e s p e c t i v e l y ) 3 4 5 ，2在雪崩过程中( a ) ：t = 1 5 ，9 3 0 # s 和电子雪崩头部达剑阳极时( b ) ：t = 1 5 9 4 3 # s 的电了 窄m 密度窄j 分布。 f i g 5 2 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t yd u r i n ga v a l a n c h ep r o p a g a t i o na t t = 1 5 9 3 0 p sa n d = 1 5 9 4 3 # s ， 3 4 5 3 计算放电电流，第一个曲线峰值为霄崩电流峰，第- 二个曲线峰值为流注电流峰。 f i g 5 3 ：c o m p u t e dd i s c h a r g ec u r r e n t 3 5 5 4 在流注形成时t a ) ：t = 1 5 9 5 2 # s 及流注传播过程中( b ) ：t = 1 5 9 6 4 # s ，( c ) ：t = 1 5 9 7 2 # s 硐i 电子流注头部达到刚极时( d ) ：t = 1 5 9 7 5 # s 的窄问i 乜场分布。 f i g 5 4 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l dd u r i n gs t r e a m e rp r o p a g a t i o na tt = 1 5 9 5 2 # s ，t = 1 5 9 6 4 # s ，= 1 5 9 7 2 # sa n dt = 1 5 9 7 5 # 8 3 6 5 ，5 在流注形成时( a ) ：t = 1 5 9 5 2 # s 及流注传播过程中( b ) ：t = 1 5 9 6 4 # s ( c ) ：t = 1 5 9 7 2 # s 雨1 电子流注头部达到阴极时( d ) ：t = 1 5 9 7 5 # s 的电子空间密度空间分布。 f i g 5 5 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t yd u r i n gs t r e a m e rp r o p a g a t i o na t t = 1 5 9 5 2 # s t = 1 5 9 6 4 # s ，= 1 5 9 7 2 # sa n d = 1 5 9 7 5 # 8 3 7 5 ，6 ( a ) ：模拟仞始条件：阴极附近种电子密度为幅值1 0 a l m 3 的商斯波包；( b ) ：在雪崩过 科中t = 1 5 9 2 0 # s 时的电子空间密度空间分布。 f i g 5 6 ：( a ) ：t h ei n i t i a le l e c t r o ns p o t ；( b ) ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t ya t t = 1 5 9 2 0 # s 3 8 5 7 在雪崩过程中电，空间密度空间分布( a ) ：t = 1 5 9 2 2 # s ，) ：t = 1 5 9 2 6 # s ，( c ) ：t = 1 5 9 3 1 # s ，( d ) ：t = 1 5 9 3 5 # s 。 f i g 5 7 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t yd u r i n ga v a l a n c h ep r o c e s sa tt = t 5 9 2 2 # s ，t = t 5 9 2 6 p s ，= 1 5 9 3 1 # s ，t = 1 5 9 3 5 # s ， 3 9 捅图目录 5 7 5 8 存雪崩过程中电场空捌分布( a ，：t = 1 5 9 2 6 # s ，( b ) ：t = 1 5 9 3 5 # s 。 f i g 5 8 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l dd u r i n ga v a l a n c h ep r o c e s sa tt = 1 5 9 2 6 # s ，t = 1 5 9 3 5 # s ，3 9 5 ，9 在流注形成过程中的电子宅旧l 密度空闻分布( a ) ：t = 1 5 9 5 2 p s ，( b ) ：t = 1 5 9 6 8 # s 和 电场分布( a ) ：= 1 5 9 5 2 # s ，( b ) ：t = 1 5 9 6 8 # s 。 f i g 5 9 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t yd u r i n gs t r e a m e rf o r m a t i o na tt = 1 5 9 5 2 # sa n dt = 1 5 9 6 8 # s 4 0 5 1 0 在流注传播过程中的电子空间密度窄闻分布( a ) ：t = 1 5 9 9 5 # s ，( b ) ：t = 1 6 ，0 0 8 # s 和 电场分布( a ) ：t = 1 5 9 9 5 # s ( b ) ：t = 1 6 0 0 8 # 8 。 f i g 5 1 0 ：s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t yd u r i n gs t r e a m e rp r o p a g a t i o na t t = 1 5 9 9 5 p sa n dt = 1 6 0 0 8 # s ，4 1 5 1 i 往流注传播过程中流注传播速度：左为考虑光i u 离和不考虑光f u 离( = 1 6 0 0 8 弘s ) 的 计算值空间分布情况，右为文验数据【7 3 。 f i g 5 1 1 ：t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e v e l o c i t y o f s t r e a m e r p r o p a g a t i o n ：e x p e r i m e n t a l d a t a ( t h eo x y g e np e r c e n t a g e sa r ei n d i c a t e di nt h el e g e n d ) a n dn u m e r i e mr e m d t so fa t t = 1 6 0 0 8 # s ， 4 2 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 张丈街巧长丈臂 签字日期：三誓可! ? i _ 堡 大气压介质阻挡放电物理过程的数值模拟 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内裤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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密口。 学位论文作者签名：奎坠叁堑导师签名： 签字日期：兰：! z ：! l = 兰鱼 签字口期：丝受：z ：2 壁 第一章绪论 近年来，大气压低温等离子体由于不需要复杂昂贵的真空系统在工业生产中得到越来 越广泛地应用，对其产生和应用的研究也得到广泛的开展。它的独特的性质可能使现代技 术在许多快速发展的领域出现突破。由于大气压低温等离子体在大气压条件下产生，可以 在较低的温度下获得化学反应所需的活性粒子，具有特殊的光、热、声、电等物理过程和化 学过程，因此在材料表面处理、纳米技术、薄膜沉积、刻蚀、医疗器具消毒、臭氧生成、化 学合成、环境治理、纤维改性、新型光源、飞行器减阻和隐形等领域有着广阔的应用前景。 本文研究的等离子体是以空气为工作气体产生的常压气体放电低温等离子体。 1 1气体放电等离子体 等离子体是由大量等荷的正负粒子构成的准中性系统，被称为继固态、液态和气态之 后的物质的第四态，是宇宙中9 9 9 9 以上物质的存在形式。然而在地球上除了南北两极的 极光外，等离子体只能通过实验或工业装置获得。通常，根据等离子体温度的不同可将实 验室等离子体分为两大类【1 】：热力学平衡等离子体和非热力学平衡等离子体。 热力学平衡意味着等离子体中所有粒子( 电子、离子、中性粒子) 温度都相同。这类 等离子体温度很高，高温温度从4 0 0 0 k ( 例如易电离元素铯) 蛰j 2 0 0 0 0 k ( 例如难电离元 素氦) 。但是由于能量损失机制的存在，严格意义上的热力学平衡是很难达到的，通常获 得的是温度近似相等的接近平衡的等离子体，称为“局部热力学平衡状态 ( l t e ) 。当等 离子体中不同成分的温度不相同，电子温度比重粒子( 离子、原子、分子) 温度要高很 多( 疋正) 时，等离子体所处状态被称为“非局部热力学平衡状态”( n o n - - l t e ) 。 “局部热力学平衡状态”放电的特点是高温。主要应用于高温高熟场合，例如切割、焊 接以及分析感应耦合等离子体( 用来气化分析物质) 。“非局部热力学平衡状态”等离子体 用在低温场合，例如刻蚀和薄膜沉积。其中重粒子温度很低( 高出室温不多) ，但是电子温 度较高，因为电子质量很小容易被外电磁场加速。高的电子温度导致高的电子碰撞( 非弹 性) 几率，通过碰撞电离形成气体放电低温等离子体。 气体放电低温等离子体大部分能量用来产生高能电子( 5 e y ) ，高能电子通过碰撞 分解、激发和电离背景气体，产生更多电子和激发态粒子自由激子和粒子，形成各种 工业应用所需的活性反应环境。气体放电低温等离子体具有较好的选择性和较低的维护 大气压介质【挡放电物理过程的数值模拟 要求，使其能耗相对鞍低。在大气压条件下工作的气体放电低温等离了体具有更优越的性 质。由于不需要昂贵的真空系统，大气压低温等离子体能实现连续处理。低廉的设备成本 和曷生产效率等优点使其拥有广泛的应用空间，其中，对以电晕放电及介质阻捎放电为代 表的大气压大空问非平衡等离子体研究成为近年来工业应用研究的一个热点。 1 - 2 大气压气体放电低温等离子体 最常见应用最广泛的大气压气休放电低温等离子体产车方式分别为：电晕放电、滑动 电弧放电和介质阻挡放电吼 1 21 电晕放电与脉冲电晕放电 电晕放电足一种剥电离的低能耗放电。通常在人气压情况下，在物体尖端等曲率半径 很小的地厅电场非常大，附近介质气体很容易被局部。h 穿，出现电晕放电。如图ll 所示， 电晕放电通常是非均匀的：电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极 附近区域，特别是曲率半径很小的电极附近，气体的发光也只艘生在该区域。在此区域之 外电场很弱，不发生或很少发生电离带电粒子在弱电场的作用1 f 从一个电极到达另个 电极，形成闭合回路。 连续电晕放电的功率非常小，在很多场合无法应用。例如在大气压条什下一个加 有4 0 k v 电压的线电极( r = 0l c m 外电极r = l o e m ) 只能产生o2 w e r e _ 1 的放电功率。当 加大电压和电流时，电晕放电转变为火花放电。为了避免这种转变的发生可以采用脉冲电 压驱动电晕放电。 自 女 电月 女电极 可用_ a 自空旧 地自掇 i 图11 _ f 4 = 冲电晕放电( 芷为针板电板结构放电原理图，右为放电实蜊1 2 】) 。 f i 9 11 ：p u l s e dc o r o n a ld i s c h a r g e ，t h e l m i sas c h e m eo f n e e d l e - p 肌d 即t r o d ed i s c h a r g e ，t h en g 址b as a m p l ep i e t eo f t h ed i c h a r g e 电晕流注的速度大约为1 0 s e r a s ，即电子雪崩漂移速度的1 0 倍。在1 3 口n 间距电极间 第章绪论 拄生害崩、省崩流注转变和流注传播的总时间大约为1 0 0 3 0 0 n s 。这意味着，在此期间要 求电压脉冲能维持流注并有效地将能量转移到低温等离子体而不转变成火花放电。实验表 明，通过在初始时刻对电极加窄脉冲( l o k v ) 的上升沿脉冲，可以对电 予有效加热而不引起离子明显运动，从而在脉冲上升期间允许产生更强的电场而不引起火 花放电。与连续电晕放电相比，脉冲电晕放电初始阶段的电场强度和电子能量更大，使其 可以应用到多种场合中。因此纳秒量级脉冲高压驱动源的设计和制造成为了电晕放电应用 的关键。 1 _ 22 滑动电弧放电 滑动电弧放电由一对如图12 中所示的延伸弧形电极构成。电源在两电极上旆加高压 引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿。一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以 产生强力电弧的大电