大气压辉光放电特性与物理机制的研究

来源 :中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) | 被引量 : 4次 | 上传用户:hxzhou618
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大气压辉光放电以其均匀性好,活性物种丰富,且无需复杂真空系统等优点,被广泛应用于薄膜沉积、环境污染治理、材料表面改性与生物医学工程等方面。介质阻挡放电和直流放电是产生大气压辉光放电的两种主要方式。基于这两种放电方式的研究和探索,使得人们初步了解了等离子体的形成和演变规律,并对如何获得和控制大气压均匀弥散等离子体有了最基本的认识。但是因为对不同驱动电源和不同结构的等离子体发生装置,往往伴随着情况多变的物理机制,并且在等离子体中还涉及到复杂的化学反应过程,导致人们对于大气压辉光放电的认识一直难以有一个完整且系统的了解和把握。鉴于此,我们从理论和实验两方面入手,分别就介质阻挡辉光放电和直流辉光放电作进一步研究。具体研究内容及结果如下:首先,基于一维流体模型仿真研究交流源参数对多脉冲介质阻挡放电的放电模式和脉冲数目的影响。结果表明:在外加电压幅值为1.8kV时,频率增加到放电过程出现辉光模式后,脉冲数目随频率增加而减小,同时无论在波峰还是波谷都有汤生模式向辉光模式转变的趋势;当频率在40kHz以上,可以实现全周期辉光放电;在频率为40kHz时,是否会形成全周期辉光放电还与电压幅值密切相关,电压幅值增加使得放电脉冲数目增加的同时更有利于整个周期内都维持辉光放电,与此同时,残余峰在电压继续增加的过程中会逐渐消失。其次,通过二维轴对称模型仿真得到大气压介质阻挡辉光放电中一种特殊的时空非线性行为:回路电流对称演化的周期性非对称放电以及其空间行为在整个周期内的补偿特性。对整个周期内放电空间特征(空间电场、电子密度和离子密度的空间分布)的演化进行了探讨,并分析了放电空间结构反转的根本原因。结果表明:残余峰对此放电行为起至关重要的作用;放电空间结构在正负半个周期之间发生反转仅局限于一定的频率范围内;伴随残余峰的介质阻挡放电在经历一个周期后能够补偿空间非线性导致的放电不均匀。最后,在大气中开展了磁场辅助介质阻挡放电增强型直流辉光放电等离子体射流的实验研究,并设计研制出相应的等离子体发生装置。实验发现磁场的引入能够显著改善等离子体射流的各种特性,包括降低放电能耗和射流温度、增强化学活性、增加射流尺寸,以及等离子体均匀性等。其根本原因在于磁场的作用使得电子在空间中的迁移路径由直线变成曲线,拓展了放电空间,并增加了电子在放电空间的行程和寿命,以及电离度。上述工作研究探讨了大气压辉光放电等离子体的产生机制和放电特性,进一步完善了大气压辉光放电的理论模型;该研究结果为低能耗、高效率等离子体发生器的结构与控制参数的设计与优化提供了理论依据,为大气压辉光放电在材料表面处理领域的实际应用提供了技术指导。
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