大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

大气压 Ar／NH3同轴介质阻挡放电发射光谱诊断

采用光谱在线技术（OES）检测了大气压 Ar／NH3 DBD 等离子体中的主要粒子为 NH,N,N+,N2, Ar,Hα,OH。NH 是 NH3分解的产物,激发态 Ar*和 NH3分子的潘宁碰撞生成激发态中性粒子 NH（c 1Π）和 NH（A 3Π）。674．5 nm 处 N 原子谱线表明等离子体中产生了 N 活性原子,为大气压 Ar／NH3同轴介质阻挡放电等离子体合成ε-Fe3 N 磁性颗粒提供了可能。研究了各主要粒子谱线强度随 NH3流量和外加电压峰峰值的变化规律,研究结果表明：NH3流量相同时,随外加电压峰峰值升高,各粒子谱线强度均逐渐增强;外加电压峰峰值相同时,各谱线强度随 NH3流量增加先增强后减弱。外加电压峰峰值相同时,随 NH3流量增加,N 活性原子谱线强度先增强后减弱,NH3流量为20 mL·min－1时,N 活性原子谱线强度最强。NH3流量相同时,随外加电压峰峰值升高,N 活性原子谱线强度逐渐减小,主要是由于大气压 Ar／NH3 DBD 放电模式由多脉冲大气压辉光放电转变为丝状放电造成。多脉冲大气压辉光放电的微放电通道之间相互重叠,各个微放电之间相互影响,导致随外加电压峰峰值升高各谱线强度的增加速率较快。当外加电压峰峰值从4600 V 升高到6400 V 时,大气压 Ar／NH3 DBD 的放电模式由单脉冲 APGD 转变为二脉冲 APGD,属于均匀大气压介质阻挡放电,随外加电压峰峰值升高谱线强度的增加速率较快,利于合成ε-Fe3 N 磁性颗粒。     

大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析

介质阻挡放电产生的低温等离子体具有广泛的应用前景而成为研究热点。文章利用平行平板介质阻挡放电装置,在流动的氦气中实现了大气压均匀辉光放电,得到了大气压下的均匀等离子体。利用电学方法将放电电流从总电流中分离出来,从而得到了辉光放电的放电电流。通过分析放电电流、外加电压、气隙上电压以及壁电荷电量之间的相互关系,可以研究气体放电过程中壁电荷积累的微观动力学行为。实验结果表明壁电荷主要是在放电电流脉冲持续期间积累的,但电流脉冲结束后,由于气隙电压没有改变极性,壁电荷还会逐渐积累,气隙电压改变极性后,壁电荷量随时间减小。这些结果对壁电荷在介质阻挡辉光放电中作用的深入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义。     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电. 关键词： 介质阻挡放电 增强电子耦合器件 大气压辉光放电 多脉冲     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电.     

大气压Ar/NH_3同轴介质阻挡放电发射光谱诊断（英文）

采用光谱在线技术(OES)检测了大气压Ar/NH_3 DBD等离子体中的主要粒子为NH,N,N~+,N_2,Ar,H_α,OH。NH是NH_3分解的产物,激发态Ar~*和NH_3分子的潘宁碰撞生成激发态中性粒子NH(c~1Ⅱ)和NH(A~3Ⅱ)。674.5 nm处N原子谱线表明等离子体中产生了N活性原子,为大气压Ar/NH_3同轴介质阻挡放电等离子体合成ε-Fe_3N磁性颗粒提供了可能。研究了各主要粒子谱线强度随NH_3流量和外加电压峰峰值的变化规律,研究结果表明:NH_3流量相同时,随外加电压峰峰值升高,各粒子谱线强度均逐渐增强;外加电压峰峰值相同时,各谱线强度随NH_3流量增加先增强后减弱。外加电压峰峰值相同时,随NH_3流量增加,N活性原子谱线强度先增强后减弱,NH_3流量为20 mL·min~(-1)时,N活性原子谱线强度最强。NH_3流量相同时,随外加电压峰峰值升高,N活性原子谱线强度逐渐减小,主要是由于大气压Ar/NH_3DBD放电模式由多脉冲大气压辉光放电转变为丝状放电造成。多脉冲大气压辉光放电的微放电通道之间相互重叠,各个微放电之间相互影响,导致随外加电压峰峰值升高各谱线强度的增加速率较快。当外加电压峰峰值从4 600 V升高到6 400 V时,大气压Ar/NH_3 DBD的放电模式由单脉冲APGD转变为二脉冲APGD,属于均匀大气压介质阻挡放电,随外加电压峰峰值升高谱线强度的增加速率较快,利于合成e-Fe_3N磁性颗粒。     

N2-Ar��Ƶ�ŵ���浪���ĵ�����������ģ��

N2-Ar射频放电等离子体广泛应用于微电子工业的刻蚀、氮化物薄膜的制备及金属表面氮化等技术领域。开发了N2-Ar混合气体容性耦合射频放电PIC/MC自洽模型,模型主要描述了e-,N2+,N+,Ar+等主要带电粒子的行为分布。等离子体的碰撞过程分别考虑了带电粒子(e-,N2+,N+,Ar+)与基态中性N2分子和Ar原子的21种碰撞反应过程。模拟结果表明,在纯N2及N2-Ar混合气体容性耦合射频放电中,各种带电粒子的数密度都在等离子体区达到最大值,且氮分子离子为主要粒子;在N2容性耦合射频放电中,加入10%氩气时,N+平均能量有所增加,在射频电极处两种氮离子(N2+,N+)高能粒子所占比例增加。本研究对认识N2-Ar射频放电等离子体过程微观机理具重要意义。     

低气压氙气介质阻挡放电的一维仿真研究

通过建立一个自洽耦合的一维流体模型来描述低气压氙气介质阻挡放电(DBD),并采用有限元法对模型进行数值仿真研究,得到了不同外加电压幅值和频率下的气体间隙压降、放电电流、介质表面电荷随时间的变化关系以及电子、离子、中性粒子和空间电场的时域分布.仿真结果表明:介质表面电荷对放电的点燃与熄灭起着关键的作用;在一个放电周期内,根据气体间隙压降的变化情况,介质表面电荷可按六个阶段进行分析;随着外施电压幅值的增加,间隙击穿逐渐提前至外施电压过零点之前发生,放电更为剧烈;随着外施电压频率的提高,气体间隙压降减小,间隙容易击穿,放电也更加均匀.粒子及空间电场的时域分布表明氙气DBD为典型的辉光放电.     

大气压介质阻挡辉光放电脉冲的阴极位降区特性及其影响因素的数值仿真

大气压介质阻挡放电常用于产生低温等离子体,其放电特性已成为当前的研究热点.本文针对大气压氦气介质阻挡放电结构建立了流体数值仿真模型,研究其辉光放电脉冲特性.从发光结构、粒子分布和电场分布等方面说明了该类型放电辉光结构的时空演化过程;分别从电子增长率和电场强度分布两个角度比较和分析了该类型放电中阴极位降区范围的定义,并探讨了发光最强点位置与阴极位降区边界的关系,认为利用电场强度分布来定义该类型放电的阴极位降区范围更加合理,且在电流下降沿内,光强最强点始终处于阴极位降区内部.研究了外施电压、阻挡介质二次电子发射系数γ和N_2含量对间隙电压、电流密度和阴极位降区特性等的影响规律.发现:在二次电子发射系数γ不变时,阴极位降区宽度与电流密度具有负线性相关关系;利用阴极位降区的伏安特性证明了该类型放电属于亚辉光放电靠近正常辉光放电的部分;主要考虑N_2与He的Penning效应时,电流密度和带电粒子密度在一定N_2含量下具有最大值等.     

针-板DBD微流注与微辉光交替生成的机理研究

在介质阻挡放电体系中产生辉光放电可以有效的提高放电体系产生高能电子的性能, 为等离子体化学反应提供更加丰富的活性粒子.本文对针-板介质阻挡放电体系下的放电模式进行了研究,实验发现放电正负半周期表现出不同的放电模式, 激励电压为3 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和电晕放电(或者Trichel脉冲放电),激励电压为6 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和微辉光放电.微辉光放电形貌具有与典型辉光放电相同的分层次放电结构, 分析了激励电压6 kV时的放电过程,认为足够强的阴极电场强度和裸露针状电极形成的有效的二次电子发射过程是形成微辉光放电的主要因素,绝缘介质层的存在避免了微辉光放电向弧光放电过渡.     

空气介质阻挡放电不同放电模式的光谱特性

采用光谱方法,研究了空气介质阻挡放电中流光向类辉光转变时电子能量的变化。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线,测量了氮分子(C3Π_u)的振动温度。通过考察氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子337.1 nm谱线强度之比,研究了电子平均能量的变化。结果表明,流光向类辉光转变时,氮分子(C3Π_u)的振动温度激增,氮分子离子391.4 nm相对谱线强度突增,表明类辉光放电模式中电子能量比流光放电模式中电子能量高很多。实验还发现,气隙间距不同,这两种放电模式转变所对应的转变气压不同,但转变气压与气隙间距的乘积值保持不变。     

Characteristics of parallel-plate and planar-surface dielectric barrier discharge at atmospheric pressure

Experiments are performed to investigate and compare the characteristics of stable parallel-plate and planar-surface dielectric barrier discharge in helium gas at atmospheric pressure. The evolution of applied electric field profile and the discharge initiation processes are found quite different for both electrode geometries. Further discharge voltage, discharge current, power densities etc. are compared. The differences of basic plasma properties are presented for both the electrode configurations.     

Simulation of transition from Townsend mode to glow discharge mode in a helium dielectric barrier discharge at atmospheric pressure

The dielectric barrier discharge characteristics in helium at atmospheric pressure are simulated based on a one-dimensional fluid model. Under some discharge conditions, the results show that one discharge pulse per half voltage cycle usually appears when the amplitude of external voltage is low, while a glow-like discharge occurs at high voltage. For the one discharge pulse per half voltage cycle, the maximum of electron density appears near the anode at the beginning of the discharge, which corresponds to a Townsend discharge mode. The maxima of the electron density and the intensity of electric field appear in the vicinity of the cathode when the discharge current increases to some extent, which indicates the formation of a cathode-fall region. Therefore, the discharge has a transition from the Townsend mode to the glow discharge mode during one discharge pulse, which is consistent with previous experimental results.     

液体电极上辉光放电丝的运动特性研究

大气压液体电极放电在生物医疗、化学降解、环境保护等众多方面具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注.本文利用直流电压激励棒-水电极装置,在6 mm气隙间产生了大气压辉光放电.研究发现,随着电流的增大,放电由锥状转变成柱状,且此过程中水面上放电环的直径先增大后减小.利用高速照相机对放电进行研究,发现锥状放电是由单个放电丝旋转形成的.通过测量放电的伏安特性,表明放电处于正常辉光机理.利用光谱学方法,研究了不同电流下的振动温度、转动温度和谱线强度比I_(391.4)/I_(337.1),发现它们均随电流的增加而增大.根据气体放电理论,分析和解释了放电丝的运动机理,并对水面上放电环直径随电流的变化关系进行了解释.这些结果对于大气压液体电极放电的理论研究和实际应用均具有一定参考价值.     

大气压氦气介质阻挡放电中的周期一不对称放电实验研究

大气压介质阻挡放电不仅具有对称周期一的放电形式, 还会在一定参数下呈现不对称周期一(AP1)放电. 本文采用具有平行电极结构的介质阻挡放电装置, 分别在气隙宽度1 mm, 3 mm, 7 mm和10 mm下的大气压氦气中进行了一系列放电实验, 研究了气隙宽度和外施电压频率对周期一放电对称性的影响. 实验结果表明: 在较宽的气隙宽度和外施电压频率参数区间内可以观察到显著的AP1放电; 气隙宽度越大越容易产生AP1放电, 同一气隙宽度下外施电压频率较高时则相对更容易观察到AP1放电; 随着气隙宽度增加, 首次击穿即呈现AP1 放电的外施电压频率临界值逐渐减小. 本文的研究初步验证了之前关于气隙宽度对AP1放电影响的数值仿真结果, 由此可以推测AP1放电并不只是由系统参数的不对称引起的, 也很可能是一种在一定的气隙宽度和外施电压频率下系统固有的、内在的高频不稳定放电行为. 关键词： 介质阻挡放电 不对称放电     

Coaxial rf atmospheric pressure dielectric barrier air-helium plasma characteristics

The electrical and optical characteristics of a coaxial rf atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) with one electrode covered with glass and with helium in air were investigated. Optical measurements with an intensified charge coupled device (ICCD) camera combined with the voltage and power vs. current data provided identification of the α to γ mode transitions. The coaxial design allowed operation with very low power density plasmas (0.18 W/cm³) and a much larger plasma size (13 mm) than the parallel plate designs.     

NaOH对苯胺气液两相介质阻挡放电特性的影响

研究气液两相介质阻挡放电(DBD)的特性,对于深入理解其放电机理、促进其在环保等工业领域中应用具有重要意义。通过电压电流波形和Lissajous图形等电气特性诊断及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了液体成分对大气压气液两相DBD放电特性的影响。比较了苯胺和苯胺加NaOH溶液中气液两相DBD放电特性,利用实验结果计算得到放电功率和传输电荷,并结合放电理论对放电机制进行了分析。结果表明,苯胺加NaOH溶液中气液两相DBD,其放电特性与纯苯胺溶液有明显不同,相同电压下其放电电流约为纯苯胺溶液的两倍,其发光强度更强,放电功率和传输电荷更大,且在光谱特性图波长589nm处出现Na原子谱线,NaOH的加入增加了溶液的电导率,同时促进了气相放电强度,使得放电增强。     

Characteristics of DC discharge in a wire-cylinder configuration at high ambient temperatures

In the present work, the characteristics of direct-current (DC) discharge in a wire-cylinder configuration at an ambient temperature range of 350–850 °C were studied by analyzing photographs of the discharging process and the corresponding V–I characteristics, with the aim of facilitating the application of plasma technology in the fields of energy and the environment. The influences of the ambient temperature, the inter-electrode gap, the gas medium and the cathode material on the DC discharge were investigated. The corona-onset threshold voltage (COTV) and the spark-breakdown threshold voltage (SBTV) decrease as the ambient temperature increases, and the SBTV decreases more rapidly. Increasing the inter-electrode gap enlarges the difference between the SBTV and the COTV. After spark breakdown, in an air atmosphere, glow discharge is more likely to take place under conditions of high ambient temperatures or small inter-electrode gaps. The values of the SBTV in different atmospheres have the following relation: air ≈ O₂ > CO₂. At an ambient temperature range of 350–850 °C and in an atmosphere of N₂, glow discharge and arc discharge occur successively as the output voltage of the power supply is increased, while in an atmosphere of O₂ and CO₂, only corona and arc discharge are successively observed. In an air atmosphere, when the inter-electrode gap is 29 mm, corona, glow and arc discharge occur successively with increasing output voltage when the ambient temperature is 850 °C, while only corona and arc discharge appear when the temperature is 350–750 °C. When the inter-electrode gap is 5 mm in an air atmosphere, corona, glow and arc discharge occur successively in an ambient temperature range of 350–850 °C. The cathode material has a minor influence on the COTV and a more significant influence on the SBTV. In a device using a cathode with a low work function, the SBTV is low, and the power to maintain arc discharge is small.     

介质阻挡放电中单个新型放电丝放电特征和光谱测量

在放电间隙较大(d=3.8 mm)的介质阻挡放电(DBD)中, 通过减小放电区域(S=1 cm×1 cm), 首次观察到了单个新型放电丝。与其他实验小组所观察到的单个放电丝相比, 该单个新型放电丝由体放电(VD)和沿面放电(SD)二部分构成, 其放电稳定性和持续性极好。利用高速照相机和光谱仪, 研究了单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中的放电特征和单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态。在高速照相机不同曝光时间条件下拍摄得到了单个新型放电丝端面和侧面放电的瞬时照片, 并对其外加电压半周期单次放电的放电特征与辉光放电进行了对比。利用发射光谱法, 采集了单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的氩原子763.26 nm(2P6→1S5)和772.13 nm(2P2→1S3)发射谱线, 并通过两条谱线强度比法, 估算出了相应的电子激发温度。实验结果得出: 单个新型放电丝由体放电和沿面放电构成, 且沿面放电在体放电四周呈枝状扩散;单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中与辉光放电特征相似, 且在阴极呈现出漏斗状放电;氩原子谱线强度及其相应的电子激发温度从极板两端到中间均呈减小的变化趋势, 表明单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态不同。     

介质阻挡放电中单个新型放电丝放电特征和光谱测量

在放电间隙较大(d=3.8 mm)的介质阻挡放电(DBD)中,通过减小放电区域(S=1 cm×1 cm),首次观察到了单个新型放电丝。与其他实验小组所观察到的单个放电丝相比,该单个新型放电丝由体放电(VD)和沿面放电(SD)二部分构成,其放电稳定性和持续性极好。利用高速照相机和光谱仪,研究了单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中的放电特征和单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态。在高速照相机不同曝光时间条件下拍摄得到了单个新型放电丝端面和侧面放电的瞬时照片,并对其外加电压半周期单次放电的放电特征与辉光放电进行了对比。利用发射光谱法,采集了单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)和772.13 nm(2P₂→1S₃)发射谱线,并通过两条谱线强度比法,估算出了相应的电子激发温度。实验结果得出：单个新型放电丝由体放电和沿面放电构成,且沿面放电在体放电四周呈枝状扩散;单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中与辉光放电特征相似,且在阴极呈现出漏斗状放电;氩原子谱线强度及其相应的电子激发温度从极板两端到中间均呈减小的变化趋势,表明单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态不同。