大气压脉冲介质阻挡放电中放电模式的演化

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近年来,大气压低温等离子体逐渐在多个领域得到应用,它的机理已成为等离子体和气体放电领域的热点研究。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)被认为是一种最有效的产生低温等离子体的方法。而在介质阻挡放电的各种放电模式中,人们最希望得到的是大气压下的均匀放电(包括辉光放电和汤生放电),因为这种放电模式可以提供大体积的均匀低温等离子体,有着广阔的应用前景。以往对大气压介质阻挡放电的研究,通常采用正弦电压激励,但是随着脉冲功率技术的发展,人们发现采用脉冲电压激励有着独特的优势。所以,人们对大气压脉冲介质阻挡放电进行了大量的实验和模拟研究。但是这种放电非常复杂,辉光放电模式和汤生放电模式的形成以及相互之间的转化仍有待合理地解释,有些外部控制参数对均匀放电模式在一个周期内演化的影响还不清楚,放电中的物理化学过程等诸多问题亦未很好地解决。本文采用一维流体模型,对大气压脉冲介质阻挡放电进行了模拟研究,主要包含以下方面的内容和结果:1、简要介绍了低温等离子体和气体放电的概念及应用,重点介绍了大气压介质阻挡放电和大气压脉冲介质阻挡放电的研究背景,系统地综述了大气压均匀介质阻挡放电的放电模式和研究现状。2、根据所研究的放电结构,详细描述了所采用的一维流体模型以及相应的SG数值算法,从而能够模拟放电过程中的电压、电流密度、电场强度以及各种粒子密度的时空演化,实现对大气压脉冲介质阻挡放电的模拟。3、利用一维流体模型,分别对氮气、氦气以及氦氮混合气体环境下,大气压脉冲介质阻挡放电进行了模拟研究。并通过分析一个脉冲电压周期内电子、离子和电场的时空演化,获得了在不同气体环境下大气压脉冲介质阻挡放电中放电模式的演化规律。结果如下:氮气大气压脉冲介质阻挡放电受潘宁电离的影响,在一个周期内会先后出现弱辉光放电、汤生放电和辉光放电;氦气和氦氮混合气体的大气压脉冲介质阻挡放电的放电模式演化规律相同,分别在两次放电的电流密度最大值处出现辉光放电和不正常的辉光放电。4、对氮气大气压脉冲介质阻挡放电进行进一步研究,系统分析了外施脉冲电压频率f、脉宽tw、上升时间tr(=下降时间tf)以及介质板厚度ds对一个外施脉冲电压周期内放电模式演化的影响。研究表明,任何一个放电参数改变,氮气大气压脉冲介质阻挡放电在一个脉冲电压周期内的放电模式演化都会发生变化。当频率为0.5kHz时,放电模式先从弱辉光放电演化为汤生放电,再演化为弱辉光放电;频率增大到2kHz时,放电模式从弱辉光放电演化为汤生放电后,又演化为辉光放电;频率继续增大到5kHz时,放电模式的演化规律变成先从弱辉光放电演化为辉光放电,继而演化为不正常的辉光放电。当脉宽为200ns时,放电过程中只出现汤生放电;脉宽增大到500ns时,放电模式先从弱辉光放电演化为汤生放电,再演化为辉光放电;脉宽继续增大到1000ns时,放电过程中在先后出现弱辉光放电、汤生放电和辉光放电后,又出现不正常的辉光放电。当上升时间为10ns和100ns时,在一个周期内均会先后出现弱辉光放电、汤生放电和辉光放电;上升时间增大到200ns时,放电模式从弱辉光放电演化为汤生放电后,又演化成弱辉光放电。当介质板厚度为0.05cm时,在一个周期内会先后出现弱辉光放电、汤生放电、辉光放电和不正常的辉光放电;介质板厚度增大到0.1cm时,放电模式的演化规律变成先由弱辉光放电演化为汤生放电,继而演化为辉光放电;介质板厚度增大到0.3cm时,在放电过程中,放电模式从弱辉光放电演化为汤生放电。
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