大气压射频辉光放电模式转换机制流体力学模拟

《大气压射频辉光放电模式转换机制流体力学模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、大连理工大学博士学位论文摘要近年来，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Q模式和Y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。a模式下等离子体密度较低，但是稳定性好；Y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

2、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Q模式进入Y模式。第一种模式Q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Y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。多'blJn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，

3、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Y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Y模式，而是处于a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

4、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Q模式和Y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Q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2．3mA／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

5、转换所需要的电压。当反应气体为纯氦气时，gt—Y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Q—Y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。大气压射频辉光放电模式转换机制的流体力学模拟总所周知，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

6、，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

7、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。关键词：等离子体；射频放电；大气压辉光放电；模式转换；介质阻挡放电；数值模拟大连理工大学博士学位论文AbstractInrecen

8、tyears，uniformatmospheric—pressureglowdischarge(APGD)hasattractedconsiderableattentionbecauseofitsadvantageouspropertiesforindustrialapplications，includingsurfaceactivation，