大氣壓射頻微等離子體放電特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、大氣壓下氣體放電是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)嶄新的等離子體產(chǎn)生技術(shù)，由于該技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中不需要昂貴的真空裝置、可以實(shí)現(xiàn)流水線式的連續(xù)作業(yè)，并能產(chǎn)生大體積均勻且具有很高活性的非平衡等離子體，從而在薄膜生長(zhǎng)、材料改性及殺菌消毒等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，甚至催生了等離子體醫(yī)學(xué)這樣的新興學(xué)科，是目前國(guó)際上放電與等離子體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。反過(guò)來(lái)講，許多等離子體的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，特別是作用于活體的應(yīng)用，也需要在大氣壓下進(jìn)行，這也是該類(lèi)應(yīng)用的必然要求。但

2、在大氣壓下，氣體放電參量的實(shí)驗(yàn)診斷卻是非常困難的，一些低氣壓常用的診斷方法在大氣壓下可能未必適用。同時(shí)，所需測(cè)量的物理量更多更復(fù)雜，特別是眾多活性粒子（ROS，RNS等）的診斷，如基態(tài)的氧原子、氮原子等，更是具有挑戰(zhàn)性的工作。因此本文借助數(shù)值模擬的手段來(lái)研究大氣壓射頻氣體放電的電氣特性，以及內(nèi)部粒子的演化過(guò)程。
　　首先，利用一維流體模型研究以氦氣作為背景氣體的大氣壓射頻放電特性。在大氣壓射頻放電中，像阻抗、電阻以及容抗這樣的電參

3、數(shù)是比較容易定性的測(cè)出來(lái)，而我們研究的電子密度、鞘層厚度以及鞘層電壓這些參數(shù)通過(guò)我們的推導(dǎo)，可以用這些電參數(shù)表達(dá)出來(lái)。本文利用流體模型推導(dǎo)了一個(gè)簡(jiǎn)單的理論公式來(lái)建立等離子體阻抗和等離子體參數(shù)之間的關(guān)系。等離子體阻抗可以通過(guò)引入弛豫頻率來(lái)預(yù)測(cè)得到，而電子密度和鞘層厚度又可以分別從阻抗和容抗的計(jì)算或者仿真得到。由模型推導(dǎo)出的分析結(jié)果也能進(jìn)一步的了解大氣壓射頻等離子體的放電特性。
　　其次，以氦氧混合氣體為背景，考慮了17種粒子以及65

4、個(gè)反應(yīng)，研究了當(dāng)放電空間尺度向微間隙發(fā)展時(shí)，大氣壓射頻放電空間結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。從數(shù)值仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放電間隙減小到200μm時(shí)，大氣壓氦氧混合氣體射頻放電并不會(huì)像純氦氣射頻放電一樣，由傳統(tǒng)的輝光放電結(jié)構(gòu)(GP)轉(zhuǎn)化為由鞘層主導(dǎo)的放電結(jié)構(gòu)(SDP)。這主要是因?yàn)樵诩兒馍漕l放電中，正離子主要是He2+，負(fù)離子主要是電子e。而在氦氧混合氣體放電中，即使是非常少量的氧氣，e都不再是最主要的負(fù)離子，而是O-和O2-，正離子則不單是He2+，O2

5、+的密度隨著氧氣的加入量增多將會(huì)逐漸大于He2+。這就使得放電氣隙的中間區(qū)域正負(fù)粒子密度近乎相等，從而形成等離子體中性區(qū)。
　　然后，研究了在同功率以及同功率密度下，大氣壓氦氧微間隙射頻放電內(nèi)部活性粒子(ROS)的尺度效應(yīng)。在同功率下，隨著放電間隙逐漸向微間隙減小，電子密度以及電子溫度都在逐漸增大，基態(tài)氧原子(atomic oxygen density O)、激發(fā)態(tài)氧原子(excited atomic oxygen density

6、 O(1D))和激發(fā)態(tài)氧分子(SDO)都是逐漸增大，只有臭氧(O3)在逐漸減小。而在同功率密度下，隨著放電間隙的減小，電子密度，電子溫度，基態(tài)氧原子，激發(fā)態(tài)氧原子，激發(fā)態(tài)氧分子以及臭氧均呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢(shì)。
　　最后，給出了微波脈沖調(diào)制放電特性的流體模擬，從研究結(jié)果看，在脈沖調(diào)制中，第一個(gè)電流脈沖是否會(huì)出現(xiàn)較大值，并不需要一定在非常小的放電間隙下。如果放電間隙增加，只要電場(chǎng)足夠大，可以使得電子能在較短的時(shí)間從放電間隙運(yùn)動(dòng)到極板附近