产生臭氧的等离子体过程及其特性

当电子从强电场（＞300Td)放电取得的平均能量大于8．4eV时,氧分子便分解且分解电离成高浓度的氧原子和氧原子离子,从而产生高浓度（＞200g.m^-3)的臭氧,利用电离放电电场的物理量可控制臭氧产生浓度,产生效率及臭氧分解速率,从而实现臭氧产生装置小型化,拓宽了臭氧在环境工程上的应用领域。     

电子回旋共振放电中电子与微波互作用特性的粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模拟

对电子回旋共振（ECR）放电电离过程中的电子与微波互作用特性进行了理论分析与数值模拟.采用粒子模拟（PIC）方法描述带电粒子与微波的互作用，采用蒙特卡罗碰撞（MCC）方法描述粒子间碰撞过程及带电粒子与边界的相互作用.编写了准三维的PIC/MCC数值模拟程序，并对放电过程中电子能量与微波场随时间、空间的演化进行了数值诊断. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗方法 电离     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅱ)——数值模拟与结果讨论

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法，应用电磁模型，编写了准三维的电子回旋共振(ECR)放电电离过程的模拟程序，得到了ECR放电过程中电子与离子的相空间分布、电磁场分布.通过对这些分布随时间演化的分析，得出ECR加热发生在ω≈ω_c0且垂直于轴向的区域；ECR区域，微波能量几乎全部耦合给电子，获得能量的电子通过与中性粒子的电离碰撞产生了大量的带电粒子；随着放电的进行，大量带电粒子通过频繁的碰撞，分布由各向异性逐渐趋于各向同性. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

流体-亚稳态原子传输混合模型模拟空心阴极放电特性

利用流体-亚稳态原子传输混合模型研究了氩气矩形空心阴极放电稳态时的参数. 数值计算得到了压强为10 Torr时的电势、电子、离子和亚稳态氩原子密度以及电子平均能量的分布. 结果表明电子和离子密度峰值为4.7×10¹² cm^-3, 亚稳态原子密度峰值为2.1×10¹³ cm^-3. 本文同时对流体-亚稳态原子传输混合模型和单一流体模型模拟得到的放电参数进行了比较. 结果表明, 分步电离是新电子产生的重要来源, 亚稳态原子对空心阴极放电特性有重要影响. 与单一流体模型相比, 混合模型计算得到的电子密度升高, 阴极鞘层宽度和电子平均能量降低. 关键词： 空心阴极放电 流体-亚稳态原子传输模型 电子密度 分步电离     

钎锌矿相GaN电子高场输运特性的Monte Carlo 模拟研究

应用全带多粒子Monte Carlo模拟方法,研究了钎锌矿相GaN 材料电子的高场输运特性. 模拟中利用了基于第一性原理总能量赝势方法计算得到的纤锌矿GaN的能带结构数据. 用Cartier的方法,计算碰撞电离散射率. 计算得到了电子平均漂移速度和电子平均能量与电场的关系曲线. 电离系数的分析表明当电场强度大于1 MV/cm时,才会有明显的碰撞电离发生,量子产额的分析表明当电子的能量大于7 eV时,量子产额随能量增加迅速增大. 研究了在0—4 MV/cm电场强度范围内电子在各导带的分布,低场下电子全部位于 关键词： 碰撞电离 高场输运 能带结构 Monte Carlo模拟     

大气压管板结构纳秒脉冲放电中时域X射线研究

纳秒脉冲放电能在大气压下产生高电子能量、高功率密度的低温等离子体,由于经典放电理论无法很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来以高能逃逸电子为基础的纳秒脉冲气体放电理论受到广泛关注.纳秒脉冲放电会产生高能逃逸电子,伴随产生X射线,研究X射线的特性可以间接反映高能逃逸电子的特性.本文利用纳秒脉冲电源在大气压下激励空气放电,通过金刚石光导探测器测量放电产生的X射线,研究不同电极间隙、阳极厚度下和空间不同位置测量的X射线特性.实验结果表明,在大气压下纳秒脉冲放电能产生上升沿约1 ns,脉宽约2 ns的X射线脉冲,其产生时间与纳秒脉冲电压峰值对应,经计算探测到的X射线能量约为2.3×10-3J.当增大电极间隙时,探测到的X射线能量减弱,因为增大电极间隙会减小电场强度和逃逸电子数,从而减少阳极的轫致辐射.电极间距大于50 mm后加速减弱,同时放电模式从弥散过渡到电晕.随着阳极厚度增加,阳极后方和放电腔侧面观察窗测得的X射线能量均有所减弱,在阳极后面探测的X射线能量减弱趋势更加明显,这说明X射线主要产生在阳极内表面,因此增加阳极厚度会使穿透阳极薄膜的X射线能量减少.     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅰ)——物理模型与理论方法

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法对电子回旋共振(ECR)放电中的电离过程进行了模拟，其中带电粒子与微波的相互作用由PIC方法的电磁模型描述，粒子间的碰撞过程由MCC方法描述.考虑的碰撞类型有电子与中性粒子的弹性、激发、电离碰撞，离子与中性粒子的弹性、电荷交换碰撞，碰撞截面均依赖于能量而变化.阐述了理论分析的过程，为数值模拟ECR放电奠定了基础. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

不同电极结构下介质阻挡放电电离特征的试验研究

由于具有工作气压高、放电均匀等特点，大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。电极结构是电离特性的主要影响因素之一，因此，通过电极结构优化来改善电离特性，对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。为改善大气压介质阻挡放电的电离特性，产生高活性、高均匀性的低温等离子体，基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断；在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV条件下进行了氩气电离试验；采用原子发射光谱法（AES）对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析；研究了螺纹电极、齿状电极、圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。结果表明，齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著，电子平均能量利用率低，电子激励温度弱于圆柱电极；圆柱电极放电强度较弱，但易形成大面积均匀性等离子体；大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加，这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给，而是取决于电极结构、气体组份、气体压强；增大外施电压仅能增加单位时间内微放电的数量，经整合电子激励温度可达3 500 K，符合典型的低温等离子体特征。     

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.     

高气压微波氢等离子体发射光谱诊断

在2.45GHz,800W级的高气压微波等离子体放电系统中,通过测量不同微波功率和放电气压下氢等离子体的Balmer线系的发射光谱,从测量的谱线总展宽中卷积去掉具有高斯线形的Doppler展宽和仪器展宽得到谱线的Stark展宽,并通过Stark展宽测量氢等离子体的电子数密度和电场强度。结果表明:等离子体的电子数密度和电场强度随着放电气压的升高都是先增大后减小,随着微波功率的增加呈现逐渐增大的趋势。微波功率为800W时,气压在25kPa时电子数密度和电场强度都达到最大值,等离子体的电子数密度和内部的电场强度分别为3.55×1012cm-3及4.01kV/cm。     

吸收光谱法测量大气压空气介质阻挡放电的臭氧浓度

臭氧作为一种强氧化剂和杀菌剂,在污染物降解,食品加工,杀菌消毒,医疗卫生等方面有着非常广泛的应用。大气压介质阻挡放电是一种极为高效的产生臭氧的方法,利用平行平板介质阻挡放电装置,采用交流高压激励,产生了大气压空气非平衡态等离子体。通过测量其电压和发光信号,发现在电压的正、负半周期均存在着许多随机的放电脉冲,并且其脉宽均在几十到几百纳秒之间,这表明其机制是流光放电。放电的光学发射谱包含氮分子的第二正带系(C 3Π-B 3Π)和第一正带系(B 3П-A 3П),氮分子离子的第一负带系(B 2Σ-X 2Σ),以及氧原子谱线(715.7和799.5 nm)。由于流光放电在紫外区域(200~300 nm)没有明显的发射谱线,但臭氧在此区域存在吸收峰,因此可以利用此区域的紫外吸收光谱测量放电产生的臭氧浓度。吸收光谱法可以有效的监测其臭氧浓度的变化情况,其优势在于操作简单,对实验环境要求低,可在放电条件下使用,并且可以连续监测臭氧浓度变化。基于此,通过Beer-Lambert定律计算了臭氧浓度随实验参数的变化,结果发现随外加电压幅值和驱动频率的增加,臭氧浓度升高。这些结果对于大气压介质阻挡放电的工业应用具有重要价值。     

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在同轴圆柱单介质内外双水冷结构的DBD臭氧发生器的放电间隙内分别填充玻璃珠、高铝瓷、石英砂和熔融石英砂等颗粒,研究填充颗粒材料、粒径大小、间隙宽度等参数对臭氧生成效率的影响.结果表明:颗粒材料的介电常数是影响其臭氧制取效果的主要因素,随着介电常数的增加,间隙击穿电压降低,但由于颗粒导致电场的畸变,间隙折合场强增加,臭氧生成的最大能效降低,饱和浓度提升;高铝瓷具有最高的臭氧饱和浓度,与未填充的空床相比,饱和浓度提升136％;对于填充不同粒径熔融石英砂颗粒,随着粒径的增加,间隙击穿电压上升,间隙的折合场强提高,臭氧生成的最大能效降低,而饱和浓度提升;通过在宽间隙内填充介质颗粒可以得到窄间隙宽度的臭氧制取效果.     

The Poole–Frenkel effect in a dielectric under nanosecond irradiation by an electron beam with moderate or high current density

Processes of electron trapping and detrapping determine in many respects intense processes arising in dielectric and delayed by 1–100 ns from the irradiation pulse of a high-power electron beam, such as electron emission, electric discharge in the bulk of the dielectric, flashover, and electric breakdown. A model of charged donor center ionization in a dielectric exposed to a strong electric field is constructed. The model takes into account 1) the energy spectrum of the charged donor center in the dielectric, 2) the semiclassical state density in the donor center, 3) spontaneous emission of phonons by the electron localized in the donor center, 4) increase in the kinetic energy of the electron (heating) in the external electric field, 5) electron tunneling through a potential barrier and its reflection from the barrier depending on the external field intensity, and 6) thermal fluctuations of energy of the electron localized in the donor center. The probability of charged donor center ionization in the dielectric per unit time is calculated. In weak fields, the field dependence of the ionization probability almost coincides with that for the Poole–Frenkel theory. In strong fields, the contribution of electron heating to the external electric field is the deciding factor. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 12, pp. 10–16, December, 2008.     

Study of ozone generation in an atmospheric dielectric barrier discharge reactor

Ozone (O₃) generation in a dielectric barrier discharge (DBD) reactor driven by a pulsed power supply was investigated at atmospheric pressure and room temperature. An O₃ generation efficiency model is established in which discharge power, O₂ concentration, gas flow rate, and volume of the discharge space are included. Constants in the O₃ generation efficiency model were obtained by fitting the model with experiment results. O₃ concentration can be simply calculated from the energy density and initial O₂ concentration. Comparison on O₃ concentrations from calculation with references is given.     

A new analytical model of high voltage silicon on insulator （SOI） thin film devices

A new analytical model of high voltage silicon on insulator(SOI) thin film devices is proposed,and a formula of silicon critical electric field is derived as a function of silicon film thickness by solving a 2D Poisson equation from an effective ionization rate,with a threshold energy taken into account for electron multiplying.Unlike a conventional silicon critical electric field that is constant and independent of silicon film thickness,the proposed silicon critical electric field increases sharply with silicon film thickness decreasing especially in the case of thin films,and can come to 141 V/μm at a film thickness of 0.1 μm which is much larger than the normal value of about 30 V/μm.From the proposed formula of silicon critical electric field,the expressions of dielectric layer electric field and vertical breakdown voltage(VB,V) are obtained.Based on the model,an ultra thin film can be used to enhance dielectric layer electric field and so increase vertical breakdown voltage for SOI devices because of its high silicon critical electric field,and with a dielectric layer thickness of 2 μm the vertical breakdown voltages reach 852 and 300V for the silicon film thicknesses of 0.1 and 5 μm,respectively.In addition,a relation between dielectric layer thickness and silicon film thickness is obtained,indicating a minimum vertical breakdown voltage that should be avoided when an SOI device is designed.2D simulated results and some experimental results are in good agreement with analytical results.     

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(C3Πu→B3Πg)的发射谱线,测量了氮分子(C3Πu)的振动温度。通过考察氮分子离子391.4nm谱线强度与氮分子337.1nm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(C3Πu)的振动温度激增,氮分子离子391.4nm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。     

三电极共面介质阻挡放电的放电特性及诱导气流实验研究

等离子体流动控制激励器由于其响应速度快、激励频带宽、能量损耗低、可靠性强的优势,在航空航天领域的主动流动控制等方面得到了广泛应用.文章提出了一种新型的等离子体气动激励器——三电极共面介质阻挡放电激励器,研究了该激励器电极结构对放电特性和诱导气流速度的影响,并与传统共面介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电激励器进行了比较.结果表明:（1）随着激励电压的提高,高压电极和地电极之间先出现了丝状放电并逐渐延伸到第三电极;（2）随着第三电极与高压电极之间的距离增大,诱导气流速率从2.4 m/s下降到0 m/s,而第三电极宽度的变动对诱导气流速度影响可忽略不计;（3）相同外部条件下,该激励器诱导的气流速度小于沿面介质阻挡放电激励器,但高于共面介质阻挡放电激励器.      

Planar atmospheric pressure dielectric barrier discharge for ozone production

Planar dielectric barrier discharge (DBD) has been designed for ozone synthesis using oxygen as working gas. Applied voltage, gas flow rate and gap space between electrodes have been found to be an important parameters affecting ozone concentration. Electrical characterization of the discharge cell including onset voltage, consumed power, and current voltage wave form have been studied. A maximum ozone concentration of 29 g/m³ and maximum efficiency of 14g/kWmin have been obtained for the designed system.