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大气压射频微等离子体放电特性的数值模拟研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 大气压气体放电

1.2 大气压射频放电

1.3 大气压气体放电的一维流体模型及数值计算方法

1.3.1 大气压气体放电的一维流体模型

1.3.2 一维流体模型的数值求解算法

1.4 本文内容

第二章 大气压射频放电等离子体阻抗计算

2.1 大气压氦气射频放电的流体模型

2.2 相关文献中电路等效模型的建立

2.3 等离子体参数公式推导

2.3.1 电子密度公式

2.3.2 鞘层厚度以及鞘层电压公式

2.4 本章小结

第三章 大气压射频微等离子体的空间结构

3.1 大气压氦氧射频放电的流体模型

3.2 大气压氦气微等离子空间结构

3.2.1 大气压氦气微等离子体空间结构

3.2.2 频率对大气压微等离子体放电结构的影响

3.3 大气压氦氧混合气体微等离子体空间结构

3.3.1 微间隙下的氦氧射频放电空间结构

3.3.2 微间隙下的氦氧射频放电主要正负离子空间结构

3.4 本章小结

第四章 大气压射频微等离子体活性粒子的产生与优化

4.1 同功率和同功率密度数值计算方法

4.2 同功率密度下氦氧微等离子体的放电特性

4.2.1 射频微等离子体的放电特性

4.2.2 活性粒子(ROS)的尺度效应

4.3 同功率下氦氧微间隙放电特性

4.3.1 射频微等离子体的放电特性

4.3.2 空间电场分布以及电子能量分析

4.3.3 活性粒子(ROS)的尺度效应

4.4 本章小结

第五章 微波脉冲调制放电特性的流体模拟研究

5.1 微波脉冲调制的流体模型

5.1.1 流体模拟与粒子模拟的对比

5.1.2 微波脉冲调制的流体模拟

5.2 微间隙下第一个电流脉冲的分析

5.2.1 高频下的第一个电流脉冲

5.2.2 占空比对第一个电流脉冲的影响

5.2.3 调制频率对第一个电流脉冲的影响

5.2.4 低频下的第一个电流脉冲

5.3 大间隙下第一个电流脉冲的分析

5.3.1 低频下的第—个电流脉冲

5.3.2 高频下的第一个电流脉冲

5.4 本章小节

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

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摘要

大气压下气体放电是近年来发展起来的一项崭新的等离子体产生技术,由于该技术在工业生产中不需要昂贵的真空装置、可以实现流水线式的连续作业,并能产生大体积均匀且具有很高活性的非平衡等离子体,从而在薄膜生长、材料改性及杀菌消毒等领域得到越来越多的应用,甚至催生了等离子体医学这样的新兴学科,是目前国际上放电与等离子体研究领域的热点之一。反过来讲,许多等离子体的生物医学应用,特别是作用于活体的应用,也需要在大气压下进行,这也是该类应用的必然要求。但在大气压下,气体放电参量的实验诊断却是非常困难的,一些低气压常用的诊断方法在大气压下可能未必适用。同时,所需测量的物理量更多更复杂,特别是众多活性粒子(ROS,RNS等)的诊断,如基态的氧原子、氮原子等,更是具有挑战性的工作。因此本文借助数值模拟的手段来研究大气压射频气体放电的电气特性,以及内部粒子的演化过程。
  首先,利用一维流体模型研究以氦气作为背景气体的大气压射频放电特性。在大气压射频放电中,像阻抗、电阻以及容抗这样的电参数是比较容易定性的测出来,而我们研究的电子密度、鞘层厚度以及鞘层电压这些参数通过我们的推导,可以用这些电参数表达出来。本文利用流体模型推导了一个简单的理论公式来建立等离子体阻抗和等离子体参数之间的关系。等离子体阻抗可以通过引入弛豫频率来预测得到,而电子密度和鞘层厚度又可以分别从阻抗和容抗的计算或者仿真得到。由模型推导出的分析结果也能进一步的了解大气压射频等离子体的放电特性。
  其次,以氦氧混合气体为背景,考虑了17种粒子以及65个反应,研究了当放电空间尺度向微间隙发展时,大气压射频放电空间结构的演化过程。从数值仿真结果发现,当放电间隙减小到200μm时,大气压氦氧混合气体射频放电并不会像纯氦气射频放电一样,由传统的辉光放电结构(GP)转化为由鞘层主导的放电结构(SDP)。这主要是因为在纯氦气射频放电中,正离子主要是He2+,负离子主要是电子e。而在氦氧混合气体放电中,即使是非常少量的氧气,e都不再是最主要的负离子,而是O-和O2-,正离子则不单是He2+,O2+的密度随着氧气的加入量增多将会逐渐大于He2+。这就使得放电气隙的中间区域正负粒子密度近乎相等,从而形成等离子体中性区。
  然后,研究了在同功率以及同功率密度下,大气压氦氧微间隙射频放电内部活性粒子(ROS)的尺度效应。在同功率下,随着放电间隙逐渐向微间隙减小,电子密度以及电子温度都在逐渐增大,基态氧原子(atomic oxygen density O)、激发态氧原子(excited atomic oxygen density O(1D))和激发态氧分子(SDO)都是逐渐增大,只有臭氧(O3)在逐渐减小。而在同功率密度下,随着放电间隙的减小,电子密度,电子温度,基态氧原子,激发态氧原子,激发态氧分子以及臭氧均呈现单调减小的趋势。
  最后,给出了微波脉冲调制放电特性的流体模拟,从研究结果看,在脉冲调制中,第一个电流脉冲是否会出现较大值,并不需要一定在非常小的放电间隙下。如果放电间隙增加,只要电场足够大,可以使得电子能在较短的时间从放电间隙运动到极板附近,使得突然增加电压后,能有足够多的电子使得电场不会突变,第一个电流脉冲就会比稳定后的电流脉冲峰值高。

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