（等离子体物理专业论文）非对称介质阻挡电极结构中均匀大气压放电数值模拟.pdf

兀琏埋上天竽坝士罕但记x 摘要 本文首先从等离子体的概念出发，回顾了作为物质“第四态”的等离子体的 发展及其应用的概况。介绍了弧光放电、电晕放电、介质阻挡放电和等离子体射 流并叙述了大气压均匀辉光放电等离子体研究的最近进展。均匀大气压介质阻挡 放电以其显著的优点和巨大的工业应用前景，从1 9 8 8 年第一次被报道开始，就 一直倍受人们的关注。近些年来，科研领域广泛的进行了对均匀大气压介质阻挡 放电的实验和模拟研究，人们对这种放电的性质也有了一定的了解和认识。 本文基于一维流体力学模型，通过数值求解电子、离子及中性粒子的连续性 方程、动量方程，电流平衡方程，以及电子的能量守恒方程，计算研究了非对称 介质阻挡电极结构中均匀大气压放电中电压、电流密度的时间特性，给出了电子、 离子密度和电场在放电空间的时空分布。分析了二次电子发射系数、外加电压及 驱动频率等对非对称电极介质阻挡放电行为的影响。并讨论了电子温度的演化规 律。在计算过程中，对于粒子的连续性方程我们采用有限差分方法，并用电流守 恒方程代替泊松方程来求解电场。模拟结果表明，由于金属极板和介质层的二次 电子发射系数相差较大，导致在前后半周期放电时，放电电流、气体电压和电场 分布是不对称的。在一定的条件下，非对称电极结构中大气压介质阻挡放电，可 以存在两种放电模式，即汤生和辉光模式。两种放电模式具有完全不同的电学性 质和放电结构，在合适的参数下两种模式可以相互转换。放电脉冲的幅度直接受 外部参数的影响。氦亚稳态原子在放电中也起重要作用，它们主要产生于放电阶 段，且最大产生率出现在高场强的阴极区。在放电间隙较小的情况下，在外加的 电压的每半个周期内可以出现多个电流脉冲。多脉冲放电形成的主要原因是由于 介质表面积累电荷增加而导致的空间电荷场的增强。在固定的放电间隙下，半个 周期内放电脉冲的数目和幅度取决于驱动电压的幅度和频率。本文对电子温度的 演化规律也做了理论分析。电子在靠近极板处，能量较高。且最大值出现在阴极 附近。 关键词：非对称电极结构，介质阻挡，大气压放电，数值模拟，等离子体 非对称电极介质阻挡大气压放电数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa t m o s p h e r i cp r e s s u r ed i s c h a r g e c o n t r o l l e db yd i e l e c t r i cb a r r i e rb e t w e e n u n s y m m e t r i c a le l e c t r o d e s a b s t r a c t ar e v i e wi sp r e s e n t e do ft h ea r t i c l ea s s o c i a t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp l a s m at h a ti s c o n s i d e r e da s “t h ef o u r t hs t a t e o ft h es u b s t a n c ea n di t sa p p l i c a t i o n ，f r o mt h ec o n c e p t i o no f p l a s m a i tp r o v i d e st h ea r cd i s c h a r g e ，t h ec o r o n ad i s c h a r g e ，t h ed i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e , a n dt h ep l a s m aj e t ，猫w e l la st h c i ra p p l i c a t i o n si n i n d u s t r yi n t h i sp a p e r u n i f o r m a t m o s 。p h e r i c p r e s s u r ed i s c h a r g e ( a p d ) c o n t r o l l e db y d i e l e c t r i cb a r r i e r sh 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 ns i n c ei t si n c e p 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 l a p p l i c a t i o n s i nr e c e n t l yy e a r s ，e x p e r i m e n t a la n dm o d e l i n gs t u d i e so nu n i f o r ma p d h a v eb e e n c a r r i e do u ta n ds o m ep r e l i m i n a r yi n s i g h t si n t ou n i f o r ma t dh a v e b e e no b t a i n e d t h es p a c ea n dt i m ed i s t r i b u t i o n so ft h ee l e c t r i cf i e l da n dt h ee l e c t r o n , t h em e t a s t a b l e h e l i u ma t o m sa n dt h ei o nd e n s i t i e s a sw e l la st h et i m ee v o l u t i o no ft h ev o l t a g ea n dt h e d i s c h a r g ec u r r e n td e n s i t y i nd i e l c c t r i c - b a r r i e r - c o n t r o l l e d d i s c h a r g e w h i c hb e t w e e n u n s y m m e t r i c a le l e c t r o d e s a t a t m o s p h e r i cp r e s s u r e a r ec a l c u l a t e d b ys o l v i n g t h e o n e d i m e n s i o n a lc o n t i n u i t ya n dm o m e n t u me q u a t i o n sf o re l e c t r o n sa n di o n s ，c o u p l e dt ot h e c u r r e n tc o n t i n u i t ye q u a t i o n t h ep r o p e r t i e so fd i e l e c t r i c b a r r i e r - c o n t r o l l e dd i s c h a r g eb e t w e e n u n s y m m e t r i c a le l e c t r o d e sa ta t m o s p h e r i cp r e s s u r eu n d e r 也ec o n d i t i o n so ft h es e c o n de l e c t r o n e m i s s i o nc o e f f i e i e n ta n dd i f f e r e n td r i v i n g 丘e q u e n c ya r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d 西8 e v o l u t i o nd i s c i p l i n a r i a no fe l e c t r o nt e m p e r a t u r ei sa l s oa n a l y z e d i nc a l c u l a t i o n , t h e d i s c r e t i z a t i o no fc o n t i n u i t ye q u a t i o ni sp e r f o r m e di na c c o r d a n c ew i t hs e m i - i m p r i n ta n dt h e e l e c t r i cf i e l di ss o i v e db yt h ec u r r e n tc o n s e l n a t i o ni n s t e a do ft h ep o i s s o n ，se q u a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l i ss h o wt h a tt h ep e a kv a l u e so ft h ed i s c h a r g ec u r r e n ta n dt h ee l e c t r i c 丘e l da r e a s y m m e t r yi nt h ef o r m e ra n dl a t t e rh a l fc y c l e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ts e c o n d a r ye l e l ：t r o n e m i s s i o nc o e f f i c i e n c yo ft h em e t a le l e c t r o d ea n dt h ed i e l e c t r i ce l e c t r o d e w ef i n 正a tc e r t a i n c o n d i t i o n s ， i nd i e l e c t r i c - b a r r i e r - c o n t r o l l e d d i s c h a r g e ， w h i c hb e t w e e n u n s y m m e t r i c a l e l e c t r o d e sa ta t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，c a no p c r a t ei nt w od i f f e r e n tm o d e s ，i e t o w n s e n da n d g l o wm o d e s 黜t w od i s c h a r g em o d e sh a v ec o m p l e t e l yd i f f e r e n te l e c t r i c a lc h a r a c t e d s t i c s a n ds p a t i a ls t r u c t u r e s t h et r a n s i t i o nb e t w e e nt l l e mc a nb ec o n t r o l l e db yt h ee x t e r u a l p a r a m e t e r s w h e ut h ec u l t e u tr e a c h e st h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v em a x i m u m s ，t h ed i s t r i b u f i o n s o ft h ee l e c t r i cf i e l 也e l e c t r o n sa n di o n sd e n s i t yh a v et h es a m ep r o p e r t i e s 弱t h et y p i c a l - 盔垄望三奎堂堡主兰垡丝奎 t o w n s e n dd i s c h a r g e t h ep r o p e r t i e so fd i s c h a r g ec u r r e n ta r ed e t e r m i n e db yt h ee x t e r n a l c o n d i t i o n s 硒em c t a s t a b l ch e l l u ma t o m sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed i s c h a r g e t h e ym a i n l y p r o d u c e di nt h ea c t i v ep h a s eo ft h ed i s c h a r g ea n dk e 印i t sr e l a t i v e l yh i g hc o n c e n t r a t i o na tt h e c a t h o d e i nt h ec a s eo fs m a l l e rg a pw i d t h ，m u l t i p l ec u r r e mp u l s e sc a nb ef o r m e di ne a c h h a l f - c y c l eo ft h ea p p l i e dv o l t a g ed u ot ot h ei n g r e a s e so fs u r f a c ed e n s i t yo ft h ea c c u m u l a t i o n c h a r g e sl e a d i n gt ot h ee n h a n c e m e n to ft h ei n d u c e de l e c t r i cf i e l d i nt h ec a s eo fc e r t a i n c o n s t a n tg a pw i d t h ，t h ea p p l i e dv o l t a g ea n df r e q u e n c yc a ni n f l u e n c et h en u m b e ra n dt h e a m p l i t u d eo fc u r r e n tp u l s e s t h ee v o l u t i o nd i s c i p l i n a r i a no fe l e c t r o nt e m p e r a t u r ei sa l s o a n a l y z e di nt h i sp a p e r , a n di tk e e p si t sr e l a t i v e l yh i g hc o n c e n t r a t i o na tt h ec a t h o d e t h e e l e c t r o n sh a v eh i g h e re n e r g i e sa tt h ee l e c t r o d e s k e yw o r d s ：u n s y m m e t r i c a le l e c t r o d e sd i e l e c t r i cb a r r i e r ：a t m o s p h e r i cp r e s s u r ed i s c h a r g e ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sp l a s m a i i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学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“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学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。本人授权大连理 工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。 印， 作者签名：二 一名：绁茑 丑羔专二 大连理工大学硕士学位论文 引言 “等离子体”一词的英文形式是p l a s m a ，1 9 世纪3 0 年代l a n g m u i r 首次将其引入到 物理学的文献中。l a n g m u i r 在他的文献中，用“等离子体”一词来表示，在气体放电中， 正负电荷相等，但始终呈电中性的区域。科学界也是从这个时候开始认识等离子体，并 对等离子体进行研究的。 现在我们对等离子体的研究有了更多的深入，也可以将等离子体理解成，是由大量 的相互作用的但仍处于非束缚状态下的带电粒子所组成的宏观体系。这也是除了在我们 日常生活中所熟悉的固态、液态、气态这“三态”以外的物质“第四态”。它与前三态 是处于同一层次的概念，自然界的各种物质也都是常以这些状态出现的。一些科学家认 为，在科学技术的前沿领域，跟随着“纳米热”即将到来的就是“等离子体热”。而此处 所说的等离子体主要指的是低温等离子体，所谓的“热”也就是热在低温等离子体的工 业应用领域。 如今，等离子体，已经被广泛的应用到了各个领域之中。在日常生活当中的主要应 用有：日光灯、电弧、等离子体显示器、臭氧发生器等：而典型的工业应用则有：等离 子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理等；等离子体在高 技术方面也有其应用之处：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、 强流束、飞行器鞘套与尾迹等。由于均匀大气压等离子体在放电时，不需要昂贵而又复杂 的“空气一真空一空气”转换系统，所以，在材料表面处理、薄膜沉积、医疗器具消毒、 臭氧生成、新型光源等领域，均匀大气压等离子体都有着不可取代的应用优势，同时， 它也是等离子体领域重点研究对象之一。 根据等离子体的产生条件，可以将其分为，低气压等离子体与大气压等离子体两种。 其中传统的低气压等离子体，在材料处理和半导体材料加工中有着广泛的应用。这种等 离子体的优点也是众所周知，显而易见的。传统的低气压等离子体能够产生高浓度的反 应活性物质，而这些反应物则可以刻蚀和沉积薄膜。并且，因为气体的温度通常在1 5 0 0 c 以下，所以也不会损坏材料。这样等离子体中的带电离子，就被电场加速对基板上的材 料可以直接进行刻蚀了。另外，传统的低气压等离子体能够产生均匀的辉光放电等离子 体，由此也可以对大面积的材料进行均匀的刻蚀。以上所述，都是低气压等离子体在工 业应用上的优点。但另一方面，在对低气压等离子体的具体操作过程当中也存在着一些 缺点，即，相当昂贵的真空系统及其维护费用，以吸复杂而费力的对材料进行真空室的 输入和输出。此外，真空室的大小直接限制了被处理材料的尺寸。而大气压等离子体则 可以克服真空室操作的缺点，但是，在大气压的条件下，要维持辉光放电也将面临着新 非对称电极介质阻挡大气压放电数值模拟 的挑战。在高气压的条件下，进行气体的击穿是需要更高的电压的，并且在电极之间很 可能会产生弧光。在等离子体喷焰的应用当中，就经常会看到此类的现象。为了阻止弧 光并且降低气体温度，人们设计了各种放电结构，如，在电晕放电当中采用点电极的结 构，在介质阻挡放电当中给电极之间插入介质等等。但是，以上所说的等离子体源也都 存在着以下的缺点，即，在放电区域，所产生的等离子体都是不均匀的。也正因为如此， 相关的研究仍在继续中。 在本篇文章中，我们采用非对称介质阻挡电极结构，研究了氦气中均匀大气压放电 的性质。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 介质阻挡放电 1 1 1 介质阻挡放电概念 介质阻挡放电( d b d ) 也叫无声放电，是一种典型的非平衡态的交流气体放电。介质 阻挡放电的英文形式是d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，通常简写为d b d 。 介质阻挡放电是把绝缘介质插入连接交流电源的两个平板电极或是同轴圆柱形电 极之间的一种气体放电1 3 - 5 1 。介质可以覆盖在电极上，也可以悬挂在放电空间中。平行 板间的介质阻挡放电，就是将两电极平行正对放置，其中至少有一个电极被绝缘电介质 层所覆盖，将频率为几k h z 至几百k h z 的交流电加到两电极之间，当电压超过击穿电 压时，气体会被击穿而形成d b d 放电。 介质阻挡放电等离子体，它是一种高气压的低温的非平衡的等离子体，因为它能够 在大气压的条件或高于大气压的条件下产生，而不需要真空设备就可以在较低的温度下 获得化学反应所需要的活性粒子，它还具有特殊的光、热、声、电等物理过程及化学过 程，所以，介质阻挡等离子体已经在臭氧合成、紫外光源、高功率，激光器等领域得 到了广泛的应用。近些年来，由于d b d 等离子体独特的作用机制及其在半导体刻蚀、 材料表面改性、环境工程等高科技领域具有潜在的应用价值，已经引起了许多研究者的 高度关注1 1 1 。 1 1 2d b d 等离子体的发展历史概况 介质阻挡放电，正被日益广泛地应用于工农业生产和生活的各个方面，如臭氧合成、 饮用水处理、环境保护、微电子技术、紫外及真空紫外大面积光源、等离子体显示等广 泛领域。 d b d 等离子体的产生与应用研究，是在人们开始研究等离子体之后十几年的时间 里开始的，这主要得益于臭氧的发现。1 8 3 9 年德国科学家s c h n b e i n 发现，雷电过后大 气中会产生一种具有腥味的新物质，并将它命名为臭氧( o z o i l e ) 。从此人们开始了对臭 氧发生及其应用技术的研究。1 8 5 7 年，s i e m e n s 研制的玻璃管式臭氧发生器成为现代工 业臭氧发生器的雏形。他在两个同轴的玻璃管之间留有一个环形气隙，并在内外玻璃管 间安装了电极，空气或氧气由环形气隙通过后产生臭氧这一装置也是最早的d b d 等离 子体发生装置。到2 0 世纪7 0 年代，等离子体物理特别是高温等离子体物理得以发展并 成熟起来，成为物理界公认的一个独立的分支学科。在此期间，尽管以气体放电和电弧 非对称电极介质阻挡大气压放电数值模拟 技术为基础的低温等离子体物理和工艺取得了一些发展，但作为低温等离子体一部分的 d b d 等离子体物理和工艺却没有得到发展。其主要原因是在这一期间臭氧发生装置的 效率十分低下致使获得臭氧的成本非常高。而就在这一时期，可替代臭氧的氯的价格却十 分低廉。因此限制了臭氧应用技术的发展，从而也限制了d b d 等离子体技术的发展。 近2 0 年来，由于材料科学和电力电子技术等相关学科取得了较大的发展，也促进了对 d b d 等离子体理化特性以及应用技术的研究，并使其成为低温等离子体研究领域的又一 个热点。d b d 低温等离子体，不仅在臭氧发生理论与应用方面取得了巨大的进步，而 且在基础工业和高科技领域中，也获得了广泛的应用，并有力地推动了等离子体同其他 学科和技术领域的相互渗透、相互促进和相互发展。 典型的介质阻挡放电电极结构如图1 1 所示。 h 皤hv 0 4 c a g e 芒k c 仃口t 轴 a 睡艉- 嘲明奄 基# “橱 g y o u f l d 鼍轴尝船咄 图1 1 典型的介质阻挡放电电极结构 从图中，我们可以看到，电流路径上除了放电间隙以外，在电极问还要经过一个或 量 大连理工大学硕士学位论文 多个绝缘介质1 3 1 。在电极间安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或者是弧光放电， 而且能够形成通常大气压下的稳定的气体放电。介质阻挡放电之所以在历史上也被称为 无声放电，也就是因为，它不像空气中的火花放电那样，会产生巨大的击穿声响。 介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作，通常放电空间的气体压强可以 达到一个大气压，甚至更高。目前，常用的工作条件下，其气压的范围是l o 。1 0 6p a ， 频率为5 0h z 一1m h z 。放电间隔为几个毫米，施加的电压为2 0k v 左右。这种类型的 电学放电，其主要优点是：在大气压气体中可以生成非平衡等离子体，其产生的条件在 经济的适用性以及可行性上都是能够实现的。这一特性将会给许多大规模的工业应用带 来便利，包括制备臭氧，材料表面改性，等离子体化学气相沉积，控制污染，有机化合 物合成，二氧化碳激光器，以及近年才发展起来的等离子光源和等离子平面显示器 ( p d p ) 等。适度的均匀的等离子体，在生物和医疗上也有其新颖的应用，可以用于杀 菌消毒，也可以利用它来选择或影响生物细胞。依赖于这些应用，放电管的宽度范围可 以从小于0 1 蛐到1 0 0m m ，输入的频率也可以从低于线频率到几千兆赫兹。用于做阻 挡的附着在电极上的绝缘介质层材料，主要有玻璃，石英，陶瓷，以及薄薄的指甲油。 1 1 3d b d 的几种不同模式 根据实验条件( 气体压强p 和气体隙的宽度d ) 的不同，介质阻挡放电有不同的模式。 在气压较低时( 约5 1 0 t o r r c m ) 放电一般为均匀的辉光放电；在气压较高时为丝模式； 在某些适当的条件下，放电呈现稳定的空间分布，称为斑图( p a t t e r n ) 模式。由于传统 的介质阻挡放电装置的限制，对于d b d 放电中斑图结构的研究多在低气压下进行的， 在高气压( 包括在大气压) 下，介质阻挡放电斑图结构的研究比较少1 2 j 。 根据气体类型，介质表面性质，以及运行条件的不同，介质阻挡放电也会出现几种 截然不同的放电模式，如，丝状放电，斑图放电，以及大气压辉光阻挡放电。下面就 每种放电形式，具体的介绍一下。 ( 1 ) 丝状放电 绝缘的介质阻挡电极放电最早是应用在微放电的装置当中【9 t o l 。在大气压下这种气 体放电里现出微通道的放电结构，即，通过放电间隙的电流是由大量的快脉冲的电流细 丝组成。这些电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的。这里的电流细丝被称为 “微放电”，每个微放电的放电周期都非常短促，寿命不到1 0n s ，而电流密度却可高达 0 1 。1k a c m 2 。微放电的电流细丝通常是圆柱状的，而这种圆柱状的细丝半径约为0 1 衄，彼此的距离大约是2c m 。这些电流细丝通道，其本质上是流光放电，每一个通道 相当于一个单个击穿或者流光击穿，其寿命是由介质电容来决定的。穿过放电管的流光 非对称电极介质阻挡大气压放电数值模拟 通道使电容带电，从而使电压发生了反转，并最终终止丝放电。 单个的微放电是在放电气体间隙里某一个任意的位置上发生的，同时在其他位置上 也会产生另外的微放电。正是由于介质的绝缘性质，这种微放电能够彼此独立地发生在 很多位置上。当微放电两端的电压小于气体击穿电压时，电流就会截止。在同一个位置 上只有电压重新升高到原来的击穿电压数值时，才会发生再击穿和在原地产生第二个微 放电。这样就会在放电的一个半周期内出现大量的，寿命短促的电流脉冲群。在整个放 电时间和空间内大量微放电是无规则地分布着的。 早在1 9 3 2 年，电器工程师b u s s 就发现，在附盖着介质层的平板电极间，空气中的 电学击穿出现了很多浓缩而明亮的电流丝【1 l 】。大约十年后，r a e t h c r 等人【协1 4 】分别提出 了，他们关于在高气压下放电点燃机制的观点。流光击穿非常不同于点燃低气压辉光放 电的汤生放电机制。在介质表箍上微放电扩教成表面放电，这些表面放电星明亮的斑点， 其线径约为几个毫米。在电极表面微放电位置的数密度，随功率密度的增加而变化。而 功率密度依赖于外加的频率和峰值电压，与外加电压的形式无关。在外电压的上升阶段， 额外的微放电在新的位置被触发。因为介质上残留电荷的出现，减小了已经发生过微放 电的位置再次发生放电所需要的电场。所以，当电压反转时，下一个微放电常要在原来 已经发生过微放电的位置处发生。由于电压在这些位置已经衰减了，所以，转向后，只 需很小的外加电压就可以发生击穿。 综上所述，在高压低频的情形下，微放电倾向于分布在可利用的介质表面；而在低 压高频的情形下，倾向于再次点燃每半个周期已经发生过的微放电沟道。 一些研究者将微放电作为d b d 等离子体的主要特性，并通过研究微放电的性质来 研究d b d 等离子体的整体特性，典型d b d 中微放电的主要参数列于表1 1 中。 表1 1d b d 中微放电的主要参数 参数名称 参数值 气体压强p 电场强度墨 折合电场强度最历 微放电寿命t 微放电通道半径r 单个微放电输运电荷量口 电流密度， 能量密度， 电子浓度 电子平均能量疋 0 0 1m p a o r 0 1 3 0 0 - i v e r a 1 0 0 6 0 0 t d 1 1 0 n s o 1 0 2 m m 1 0 0 1 0 0 0 1 0 “c 1 0 0 1 0 0 0 a c m j 1 0 r 4 1 0 - 2 j 锄3 1 0 1 4 。1 0 1 5 c m 3 1 3 0e v 大连理工大学硕士学位论文 电离度x 1 0 4 鱼堡墨鏖 竺兰塑垦 从d b d 的物理过程来看，电源电压通过电介质电容耦合到放电间隙而形成电场， 空间电子在这一电场作用下获得能量，与周围气体发生非弹性碰撞，电子从外加电场取 得能量转移给气体分子。气体被激励后，发生电子雪崩，出现了相当数量的空间电荷。 它们聚集在雪崩头部，形成本征电场，再与外加电场叠加起来形成很高的局部电场，在 新形成的局部电场作用下，雪崩中的电子得到进一步加速。使放电间隙的电子形成空间 电荷的速度比电子的迁移速度更快，从而，形成了往返两个电场波，电场波向阴极方向 返回时更强，这样一个导电通道能非常快地通过放电间隙形成大量微细丝状的脉冲流光 微放电，它们很均匀、漫散和稳定，彼此孤立地随机发生在不同地点。当微放电通道形 成以后，空间电荷就在通道内输送并累积在电介质表面产生反向电场而使放电熄灭，形 成微放电脉冲。在一定范围内，微放电的数量随供电电压及频率的增加而增加。可见电 介质的分布电容对于微放电的形成起着十分重要的镇流作用。一方面，由于电介质的存 在，有效地限制了带电粒子的运动，防止了放电电流的无限制增长，从而避免了在放电 间隙内形成火花放电或者弧光放电；另一方面，电介质的存在可以使微放电均匀地稳定 地分布在整个放电空间内，便于在高气压条件下获得大体积的低温非平衡等离子体，这 也是其能在工业上获得广泛应用的前提。 ( 2 ) 斑图放电 斑图是在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构，对气体放电而言就是从 电离区域所发出的光，组成的二维有序结构。目前的实验工作已经比较充分和系统地证 明了介质阻挡放电中斑图的形成。但是还没有出现从气体放电方程出发，来讨论斑图的 形成、演化的理论工作。在固定的几何形状中，可以实现有规则的伴有表面放电的微放 电。最简单的情形是一维结构，这是由w a l h o u t 工作组提出的i ”j 。这个工作组成员在长 3 0c n l ，内半径和外半径分别为2m m 和7 5i n t o 的玻璃管中成功的得到了规则的空间微 放电。该放电是用h e a t 比为2 ：1 的混合气体，在大气压的条件下进行的。在低电压 下，得到了大约8m m 间隔的规则空间微放电。当峰值电压上升到6 1 0 9 1 0v 的变 化范围时，额外的微放电将要在间隔中触发，这样有效地将间隔一分为二。在更高电压 处，间隔的微放电出现模糊。当超过1 2 0 0v 时，全部的放电呈现模糊状态。作者们得 出这样地结论，在模糊区域，独立的丝放电随机的点燃在互不关联的位置，这有可能对 时空混沌提供了启示。 在二维的介质阻挡结构中，也可以看到规则的斑图。1 9 8 2 年，b o y e r s 和t i l l e r 做了 非对称电极介质阻挡大气压放电数值模拟 相关的工作【坫】，他们发现放电可以形成模糊的均匀的汤生放电、有规则的空间辉光放电 等离子体区的集合、或者是明亮均匀的正常或反常的辉光放电。规则的，几乎是六边形 的辉光放电斑图可以在氙气和氯气的混合物中被观察到，装置参见【拥。b r e a z e a l 描述了 关于在阻挡放电中形成二维斑图的动力学的详尽实验【1 8 l 。在特定的操作条件下，放电管 中形成高和低的电流密度区域，他们以突出亮点的形式自动组织成二维斑图。在过去的 十年里，对于介质阻挡放电中斑图形成的现象，p u r w i n s 工作组成员给出了详细的描述 1 9 o 最近，e b e r t 和a r r a y a s 也尝试在阻挡放电系统中预言斑图的形成状况1 2 0 ! 。m i r a l a i 等人报道了有关介质阻挡放电中规则斑图辉光区域形成的实验。在介质阻挡放电中，放 电斑图的形成似乎是系统偏离平衡的时空结构形成的表现【2 l 】。 ( 3 ) 大气压辉光介质阻挡放电 1 9 6 8 年，b a r t n i k a s 发现，在很近的平板电极之间，金属的或附上阻挡层的氦气的 直流放电能形成脉冲或非脉冲的辉光，也可被称为伪辉光【6 】。1 9 7 6 年，d o n o h o e 在重复 的脉冲阻挡放电中得到了大气压辉光等离子体1 7 捌。此时，气体为氦气和乙烯的混合物， 电极空间稍宽一些，为几个厘米。与此同时，研究人员在各种不同的大气压气体( 包括 氦气、氖气、氩气、氮气、氧气和空气) 的介质阻挡放电中，也获得了大气压辉光等离 子体。从1 9 8 7 年以来，越来越多的人开始了在这个领域的研究工作。 在下一节中，我们将详细的对这种放电模式进行具体的介绍。 1 1 。4d b d 等离子体的基本特性 由于介质上的电荷积累而产生的记忆效应，是所有阻挡放电的主要特点。 如上文所述，在大气压或高于大气压的条件下，极板间隙内的气体放电由许多在时 间上和空间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般为纳秒量级。 微放电通常呈现一些相当均匀的圆柱型微通道，每一个微通道就是一个强烈的流光放电 击穿过程，带电粒子的输运过程及等离子体化学反应就发生在这些微放电通道内。因此， 一些研究者将微放电作为d b d 等离子体的主要特性，并通过研究微放电的性质来研究 d b d 等离子体的整体特性， 然而，近期的研究表明微放电并不是d b d 的惟一特性，在不同的条件下它能够向 其他放电形式转化。1 9 9 8 年f r a n c o i s em a s s i n e s 等人证实在大气压力条件下，能够获得 辉光放电；1 9 9 9 年i m u l l e r 等人在实验中观察到了氦气中d b d 的自组细丝现象；2 0 0 0 年e e k u n h a r d t 通过改变电介质的几何结构发现了一种新的d b d 放电形式毛细管 等离子体电极放电( c a p i l l a r yp l a s m a e l e c t r o d ed i s c h a r g e ，c p e d ) ；在近期的研究中也发 现在大气压条件下，氢气和氮气按3 ：1 的比例混合，利用强电场可以使其产生辉光放 电，并成功地合成出了氨气。 大连理工大学硕士学位论文 在d b d 中，获得哪种形式的放电主要决定于放电敏感参量之间的匹配，这些放电 敏感参量主要有三个方面：( i ) 电介质材料与结构因素，主要有电介质材料的性质、介 电常数、厚度、几何形状及放电间隙的距离等；( 2 ) 供电电源因素，主要有电源电压、 频率、波形及控制方式等；( 3 ) 外部因素，主要有工作气体的成分、压强、气体的流速 及d b d 等离子体发生器的工作温度等。目前，尽管对d b d 特性的研究取得了一些进展， 但由于人们对d b d 特性的研究时间不长并缺乏有效的诊断与测量手段，因此对d b d 相 关参量的作用机理、相互关系以及对d b d 等离子体放电形式演化的影响还缺乏了解， 有待在理论与实验两个方面进行进一步的研究。 介质阻挡放电产生等离子体的特性还在于：它产生了高电子密度和高受激粒子密 度。放电中，电子在电场里，每一瞬时都处于平衡。几乎所有电能最初都用于产生获能 电子。电子具有较高能量，它们能有效地激发原子和分予以及打断化学键。 i i 5d b d 技术的应用与发展 ( 1 ) d b d 在紫外光源和高功率c q 激光器方面的应用 紫外辐射在电磁辐射波谱中的波长范围为4 0 0 一1 0n n l 。按波长不同可分为近紫外 辐射( i - a 波段，4 0 0 3 2 0n m ) 、中紫外辐射( u v - b 波段，3 2 0 2 8 0r i m ) 、远紫外 辐射( u v - c 波段，2 8 0 2 0 0n m ) 和极远紫外辐射( u v 二d 波段，2 0 0 1 0a m ) 四种。 波长在2 0 0i l l s 以上的辐射在大气中会被氧气吸收，所以，大多数被在真空中使用，故 又称为真空紫外。随着波长的变化，紫外辐射会呈现出不同的物理特性和效应，如紫外 切削、沉积、刻蚀、老化、生物效应、荧光效应、光化学效应和光电效应等等。因此紫 外辐射技术在医疗卫生、工业、农牧业、环境保护、国防军事及许多科研部门的应用也 越来越广泛，紫外辐射光源已经成为一个蓬勃发展的技术领域。 d b d 用于高功率c d 2 激光器的激励是其电光效应的另一重要应用。目前应用直流 ( d c ) 激励的c d ，激光器存在以下几个方面的问题：( 1 ) 由于放电的不稳定性，限制 了注入功率密度的提高，一般只有1 2w c ；( 2 ) 在时间上是无法控制的，不能满足 连续脉冲运行转换的要求；( 3 ) 阴极溅射容易污染工作气体；( 4 ) 存在一个阴极位降区， 在此区域内无粒子数反转；( 5 ) 需要占总量1 3 一i 4 的镇流电阻。我们知道，在d b d 中，电极的表面需要覆盖一定厚度的电介质，由于电介质具有镇流效应，避免了放电向 火花放电和弧光放电的过渡，从而使电极间的微放电均匀而强烈，不但有效地提高了功 率密度，得到了更好的均匀性与稳定性，使光束输出的质量得到提高，而且省去了镇流 电阻，降低了能耗，提高了激光器的运行效率。同时电介质层也避免了阴极溅射污染工 非对称电极介质阻挡大气压放电数值模拟 作气体，提高了激光器的寿命。再者，d b d 通常采用高频电源供电，因此不但使激光 器的功率调制可以通过调整高频时的控开关器件进行，而且减小了装置的体积，使激光 器结构更加紧凑，更便于应用。 近年来，用d b d 激励的c o ，激光器已有许多报道，其电极结构通常用方形或圆形 金属管，并覆盖一定厚度的电介质层，放电气隙为2 0 ，5 0 i n l n ，电源频率为5 0 2 0 0 k h z 。 以葛本昌树等研制的c d ，激光器为例：它的电极结构为方形金属管，表面用0 8 衄厚 的硼硅酸盐玻璃覆盖，管内通入去离子水以冷却阴极，放电区尺寸为1 5 0 0 m i l l 3 0 t u n a 4 5 i n l l l ，气体由c o ：c o n ：。组成，混合比为8 ：4 ：6 0 ：2 8 ，气体压力为9 3k p a ， 采用1 0 0k h z 电源驱动，得到直径为2 1i n n l 的最大光束的基模输出。 由于d b d 激励大功率c d 激光器具有传统c o ，激光器无可比拟的优点，目前已形 成一种明显的发展趋势，目前存在的问题是d b d 中的微放电是随机发生的，尽管在宏 观上具有均匀性，但仍会影响其在准分子激光器中的应用，因此如何使微放电同步发生 便成为一个重要的课题。 ( 2 ) 利用d b d 技术实现的等离子体平板显示器 在今天人们所接触的各种便携式电子设备中，平板显示器已经成为不可缺少的关键 部件。而最近出现的彩色等离子体显示器( p d p ，p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 就是利用d b d 技术实现的。它主要利用了d b d 气体放电原理。单色p d p 是直接利用惰性气体放电产 生可见光；彩色p d p 则是利用气体放电激发出紫外线，紫外线照射到红、绿、蓝三色 光敏荧光粉上，再产生彩色可见光的。这种等离子体显示器的主要优点是：容易获得大 面积显示，重量轻，体积小，视角大，一般可达1 6 0 。，拥有比较好的图像稳定度，能 够抵抗恶劣的环境；相对于液晶显示器，p d p 的制造工艺也较简单。目前彩色p d p 在 亮度、图像质量上还有很大的改进空间，驱动电路十分复杂，成本较高，但随着高新技 术的不断发展和突破，p d p 在器件设计、专用生产设备、制造工艺以及规模化生产方面 都将得到改进，这些问题也将能得到较好的解决。 ( 3 ) d b d 用于合成新物质的应用研究 臭氧的合成及其在工业规模上的应用是d b d 技术的一个成功范例。正因为如此， 许多研究者试图将它用于其他物质的合成，并希望能够获得工业规模的应用。因此，利 用d b d 合成新物质已经成为新的研究热点之一。1 9 7 4 年，l a k y a n o v 等人采用d b d 方 法，在高气压下把c 0 2 和c ! h 4 合成含氧的c h 化合物醇、醛，其含量为1 0 8 3 t a n o l m i n 。1 9 8 7 年f i n l a y s o n 等人也采用d b d 方法合成了含氧的c h 化合物醛等。1 9 9 9 大连理工大学硕士学位论文 年b a im i n d o n g 等人在o 1m p a 的条件下，采用d b d 强电场电离放电方法成功地把， 和日，合成n h ，其浓度达到3 7 9 5m gm 3 ，还有许多研究者在这方面进行了研究，并 取得一定的进展。 尽管当前的研究成果预示d b d 迸入工业应用具有一定的可行性，但目前合成物质 的浓度还偏低，产量还偏小，效率也还不高，即使合成臭氧，效率也仅为1 0 左右， 要实现工业应用还需要逐步解决三个方面的问题：一是，如何在高气压条件下向反应体 系里的高密度气体传递足够大的能量，以满足其化学反应过程中，气体分子化学键断裂 形成新物质所需要的活化能，从而提高合成物质的产率：二是，如何大幅度提高化学反 应速率，简化工艺流程以及减少化学反应条件；三是，如何实现用物理参数控制其化学 反应方向和反应产物，降低能耗，从而提高合成物质的效率。 ( 4 ) d b d 在环境保护方面的应用研究 环境问题是影响可持续发展的重要因素。近年来，n o z 、s 0 2 引起的酸雨、c 0 2 引 起的温室效应、氟利昂等引起的臭氧层破坏已经成为影响人类生存与发展