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大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟

尚万里  
【摘要】: 近年来,大气压辉光放电(APGD)在许多领域发挥着重要的作用,其在刻蚀、沉积、材料表面改性、杀菌、臭氧生成以及新型光源等领域的应用,引起人们越来越多的关注。早在上世纪50年代,低气压放电中就被发现存在着两种不同的放电模式,称为α模式和γ模式;近年来,大气压辉光放电中也被证实存在着两种不同的放电模式。α模式下等离子体密度较低,但是稳定性好;γ模式下等离子体密度较高,但是稳定性不好,容易转化为电弧放电。深入了解两种不同机制下的放电特性,对于提高辉光放电等离子体的密度和保持其稳定性,以及其工业上的应用都有着极其重要的作用。 本文基于一维流体模型,对平行板电极结构中的射频大气压辉光放电进行了数值模拟,深入探讨了其两种不同模式的放电特性。模拟结果显示,随着放电电流密度的增大,等离子体密度也随之增大,放电由α模式进入γ模式。第一种模式α模式下,放电电流密度相对较低,群等离子体电子从鞘层的收缩和扩张中获得能量。在第二种模式γ模式下,放电电流密度相对较高。焦耳加热和电子碰撞能量损失在鞘层区域达到最大。外加电压幅值为436V时,在阴极鞘层里的电子温度最高,达到6.44eV,阳极鞘层里最大的电子温度为2.96eV,而群等离子体中的电子温度为2eV左右。同样的,在鞘层中的电子产生源项也最大,其中阴极鞘层里的电子产生源项比阳极鞘层里的要大。在计算中发现,外加电压幅值为436V,二次电子发射系数0.05时,放电处于γ模式,而在其他条件不变,二次电子发射系数减小到0.05以下时,放电就不处于γ模式,而是处于α模式。可见二次电子发射在放电中起着至关重要的作用,二次电子发射系数越大,等离子体密度越大。模型的有效性通过别人的实验及模拟结果得到了验证。 本文还基于电子、离子和亚稳态粒子的密度连续性方程,结合电流连续性方程,研究了一维同轴电极结构下,反应气体分别是纯氦气和含少量杂质氮气的混合气体时,射频大气压辉光放电中的放电模式及特性。同样的,在同轴电极放电中也存在着α模式和γ模式。模拟结果显示,不对称的放电结构对放电产生了较大的影响,上下半周期内的电流密度和电压图像出现了不对称。电流均方值为40mA/cm时(放电处于α模式),上半个周期和下半个周期的电流密度峰值并不相等,相差为2.3 mA/cm,气体电压幅值相差为50.3V。且无论是在哪个模式中,等离子体密度在放电空间并非均匀分布,而是从外电极到内电极,逐渐增大。杂质氮气对放电影响较大,能明显的降低发生模式转换所需要的电压。当反应气体为纯氦气时,α-γ模式转换点对应的电压均方值为289V,电流密度均方值为106mA/cm,而当氦气中加入10ppm的氮气杂质时,其α-γ模式转换点对应的电压均方值为214V,电流密度均方值为134mA/cm。 总所周知,深入了解大气压射频辉光放电的物理机制对于其工业应用十分重要,然而一维模拟毕竟有较大的局限性。为了多角度深层次地研究大气压射频辉光放电,本文基于二维流体模型,对平行板电极结构中的射频大气压辉光放电进行了数值模拟。随着放电电流密度增大,鞘层电场强度增大,鞘层变薄。当电流密度增加到一定数值的时候,发生鞘层击穿,等离子体在极板中央区域形成一个极强的放电通道,群等离子体沿着极板方向发生收缩,随后放电进入了另外一种模式。这个现象和实验中的放电收缩极为相似,并在实验研究中广泛出现。该通道中电场强度极大,在本文的计算中最大值达到9kV/cm,要远大于模式转换之前的电场强度4kV/cm。在本文的模拟中,各种等离子体参数达到稳定所需要的时间不一样,一般需要几百个电压周期。二次电子发射对放电模式转换的发生作用明显。 介质阻挡放电存在着三种不同的放电形式。本文运用二维流体模型,对柱对称电极结构中的大气压介质阻挡放电进行了数值模拟。在10kHz电压频率驱动下,放电出现了同心圆筒放电结构。随着时间的改变,放电圆筒会发生径向演化。原先放电的区域放电熄灭,原先未放电的区域开始放电,形成一个一个的放电环,交替放电。文中研究了电子密度和电流密度空间分布随时间的演化效果。介质板上的电荷积累对放电的影响至关重要。本文还从丝的分裂与合并来探讨了同心圆筒放电的产生和演化。


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