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近年来,大气压射频放电由于可以产生大体积均匀的低温非平衡等离子体而备受关注,特别是在工作气体中,如氦气、氩气、氮气等,加入少量的氧气(一般在1%左右),其产生的等离子体中有大量的活性粒子,这些活性粒子在杀毒、灭菌、伤口愈合等大气压等离子体的生物应用中具有重要的作用。然而,由于大气压下等离子体中碰撞频繁,且受到诊断手段的限制,大气压等离子体中活性成分的产生机理与演化特性目前还并不清楚。本文借助于数值模拟的手段来研究大气压射频氦氧等离子体中各种活性成分产生于消失的机制及其演化特性。
首先,采用一个包含17个粒子及65个关键反应的流体模型用来探讨大气压射频氦氧放电中活性粒子演化特性。由仿真数据可知,基态氧的密度随着功率密度的增加线性增加,并且同功率密度下随着氧气加入量的增加,基态氧及激发态氧分子(singledeltaoxygenSDO)呈现出先增大后减小的趋势,分别在氧气加入量为0.6%及0.3%时达到最大。基于仿真数据,本文也讨论了主要活性成分的产生及消耗机制。
为了加快仿真速度及标明出主要的反应过程,在综合考虑每个反应的重要性之后,从原先65个反应的旧集合中选择出48个反应作为新的精简反应集合。活性氧粒子的主要产生及消耗反应再次被确认,并分别探讨了固定电压和固定氧气加入量时,活性氧粒子的演化趋势。仿真数据再次和实验对比,进一步证实了模型的准确性。
提高电源频率或是减小放电间隙都有助于提高放电稳定性,然而频率及间隙因素对于放电中活性粒子的影响却没有被系统研究过。因此本文也讨论了电源的频率及放电间隙对大气压射频氦氧放电特性的影响。由仿真数据可得,虽然提高电源频率有助于提高放电稳定性,但同时活性粒子密度却在减小。然而,通过增大输入功率密度,即使采用一个较高的电源频率,也能得到一个较大的活性粒子密度。并且随着电源频率的增加,氧气加入量的可用范围得到提高。更重要的是在频率增加的情况下,基态氧密度依旧有一个最优氧气加入量。另外,随着放电间隙的增加,氧气加入量对最大时间平均之后电子密度及温度有一定的影响,在氧气加入量比较小,甚至是纯氦气时,最大时间平均电子密度及电子温度随着放电间隙的增加而增加,但是随氧气加入量的增加,这种趋势会发生变化,在氧气加入量较大时候,最大时间平均的电子密度在放电间隙为1.2mm时取得最大,最大时间平均的电子温度随着放电间隙的增大而减小。随着放电间隙的增加,活性粒子的空间分布越来越趋于平缓。时间及空间平均之后,活性粒子密度随着放电间隙的增大而增大。
最后,本文对大气压下射频放电的脉冲调制机理进行了讨论。基于实验及仿真数据,给出了选择最优调制频率及占空比的依据。在对纯氦气放电进行调制时,为了提高电子密度及电子温度,应采用较低的调制频率及较高的占空比。但是为了减小功率损耗及降低气体温度,占空比不应该高于60%。另一方面,为了在整个调制周期中获得较为连续的射频等离子体,应采用一个较高调制频率(一般大于100kHz)。对射频氦氧放电进行调制之后,本文基于以上的最优调制频率及占空比的选择依据,对脉冲调制对于活性氧粒子的的影响进行了讨论。