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《大连理工大学》 2011年
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大气压辉光放电模式及均匀性数值模拟研究

王奇  
【摘要】:大气压辉光放电均匀性好、活性粒子浓度高且工作温度低、不需要昂贵的真空设备、易于实现工业化,因而成为近年来的热点研究领域。尽管取得了一系列的成果,但是大气压放电的理论模型还不完善,放电中的电子能量分布等重要参数不能定量描述。另外,大气压均匀辉光放电只有在特殊的条件下才能得到,很有必要探索其实现的方法。 本论文建立了大气压放电的自洽流体力学模型,此模型能够定量给出等离子体中的电子能量分布函数。运用此模型,文中研究了不同放电模式的特性及模式转化的规律,重点探索实现大气压均匀辉光放电的方式:(a)研究了交流电源频率对放电模式以及放电均匀性的影响;(b)研究了小幅值射频电压对低频交流放电均匀性的改进;(c)研究了短梯形脉冲和射频双电源放电的特性;(d)研究了脉冲调制射频放电的特征。本论文第一章为研究背景,研究内容概述如下: 第二章联合求解流体力学方程和玻尔兹曼方程,得到了大气压介质阻挡放电中的电子能量分布函数和电子温度。模拟结果显示,在辉光放电情况下,阴极降区的电子温度比其它区域高很多倍,且含有高能电子的比例最大;负辉区包含高能电子比例最小。在汤森放电情况下,电子温度在空间上差别很小,且各区域的电子能量分布函数形状很相似。研究还发现了提高外加电压幅值,汤森放电阶段、辉光放电阶段以及模式转化时,放电电流与气体电压变化特征。另外还观察到,汤森放电向辉光放电转化的阈值电压随着放电间距的增大先减小后增大。 第三章研究了外加交流电源频率对放电模式的影响。模拟结果显示,在一定范围内(1 kHz-100 kHz)提高外加电源频率,先后出现了三种放电模式—汤森放电、辉光放电和局部辉光放电。驱动频率很低时出现汤森放电,提高频率后发生辉光放电。原因是很低频率情况下,大多数带电粒子能够运动到极板上,不足以形成空间强电场;频率达到一定值后,足够多的带电粒子存留在放电间隙,发生辉光放电。继续增加驱动频率,辉光放电转化为局部辉光模式,因为较高频率情况下,放电空间特别是阴极区电荷密度很大,阴极电场很强,且鞘层变薄,容易在局部区域形成强放电击穿,发生局部辉光放电。 局部辉光放电是大气压介质阻挡放电中常见的放电模式之一,第四章中提出采用小幅值的射频电压改善局部辉光放电均匀性的方法。模拟显示,在一般交流电压的驱动下,放电不均匀;在此基础上叠加一个小幅值的射频电压之后,放电模式转化为均匀辉光放电。主要原因是,射频电压所产生的电场可以把带电粒子束缚在放电间隙的中间位置,在电流峰值出现以前,小幅值的射频电压已经为其在放电间隙提供了大量的种子带电粒子,丰富的预电离粒子有效地减少了在极板局部位置发生击穿的可能性,更容易形成均匀辉光放电。 射频电源能够以低激发电压产生等离子体,但功率利用率低,产生的热量高;脉冲电源可以短时间内产生高密度等离子体,但是带电粒子密度难以长时间维持。第五章中提出了一种双电源驱动的放电方式:采用高幅值短脉冲电源产生高密度等离子体,用射频电源维持等离子体密度。模拟结果显示,在双电源的共同驱动下,射频电压产生的电子作为脉冲开始的种子电子,短脉冲在极板附近产生强电场,加速产生更多的电子-离子对。短脉冲停止后,放电电流值下降很快,但是脉冲对带电粒子密度的增强效果可以持续相当长时间。这种方法消耗的功率低,并且可以使放电状态保持在射频辉光模式。 脉冲调制射频放电已经在半导体领域展现出了诸多优点,并且已经开展了相关研究,但是理论工作相对较少。第六章基于二维流体力学模型研究了脉冲调制射频放电的特性。研究结果显示,如果脉冲开启的周期和占空比合适,能够出现稳定的自组织斑图。另外,在保持脉冲调制周期不变的前提下,低占空比时放电发生在局部的放电通道内;随着占空比增加,放电通道数目增多,到一定程度后发生均匀放电。因为在高占空比情况下,射频电压开启时间长,为下次放电击穿提供了丰富的预电离带电粒子,有助于实现均匀辉光放电。另外,离子的扩散在放电通道的形成过程中也起到了很重要的作用。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O461.21

【参考文献】
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【共引文献】
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