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细长圆管内低气压直流放电中等离子体特性的数值研究

赵彦霞  
【摘要】: 近年来,等离子体材料表面改性技术在许多领域中被广泛需求,但是对圆管内壁进行这样的处理遇到了一定的困难,特别是对细长圆管内壁进行表面改性变得更加困难。为了使等离子体材料表面改性技术能够在细长圆管内壁有效进行,需要研究的物理问题是细长圆管内等离子体的产生机制及产生的等离子体物理性质。对于这些问题的研究,数值模拟是一个方便、经济的途径。本文对细长圆管内等离子体的产生机制和产生的等离子体的物理性质进行了数值模拟研究,研究结果将对细长圆管内壁的材料表面改性具有很好的理论指导意义。 本文以细长圆管内低气压直流放电产生的等离子体为研究对象,采用一维柱坐标系下的漂移扩散近似建立了数学模型,利用有限差分法进行数值计算,得到了在0.15torr气压下、在给定尺寸的圆管中直流放电所产生等离子体中电子密度、离子密度、电子温度、电离程度、电势分布和电场分布随时间演化的数值结果,分析了在稳态下,改变外加电压、气体压强、电极半径和圆管半径对产生等离子体及等离子体特性的影响。同时,我们更关心圆管内壁附近等离子体的性质,于是分析了在不同的圆管半径下改变外加电压、气体压强、电极半径对圆管内壁附近0.1cm范围内等离子体特性的影响。数值模拟结果表明: (1)在我们的研究参数下,放电达到稳态。在给定的参数下电子密度和离子密度在圆管中的分布几乎相同,都是不均匀的。电子和离子密度达到稳态后,在电极和圆管内壁的中间形成一个高密度等离子体区域。 (2)在圆管轴线中心处的电极区域,可以看到明显的电势降,形成等离子体鞘层区域;在等离子体鞘层区域外,电子密度和离子密度是相同的,电势和电场为常数。电离主要发生在电极和圆管内壁的中间区域。 (3)外加电压、气体压强、电极半径和圆管半径对等离子体特性有重要影响。在其他参数不变的情况下,分别改变外加电压、气体压强、电极半径和圆管半径可以看到,对高密度等离子体区域有显著的影响。 (4)不同的圆管半径下,在圆管内壁附近等离子体特性的分布是不同的。


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