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.     

大气压下多脉冲均匀介质阻挡放电的研究

基于一维流体力学模型，数值计算研究了大气压下氦气中多脉冲均匀介质阻挡放电的形成原因和性质，分析讨论了所加电压频率、幅值及介质板性质等对多脉冲均匀放电的影响. 模拟结果显示，当放电间隙较小时，由于介质表面积累电荷增加，感应电场增强，在外加电压的每半个周期内，可以形成多个放电脉冲，这些脉冲相应于等时间间隔的分立击穿. 放电间隙越窄，半个周期内形成的脉冲数目越多. 所加电压频率和幅值的变化不仅影响脉冲的幅度，同时也使放电脉冲的数目发生变化，而介质层厚度及介电常数的变化对放电脉冲数目没有明显的影响. 关键词： 大气压均匀放电 介质阻挡放电 数值模拟 等离子体     

圆筒状DBD放电特性模拟研究

用XOOPIC软件对同轴圆筒状反应装置DBD放电特性进行了二维模拟研究。在频率为20kHz、正弦电压幅值为5kV的大气压氩气放电中，再现了微放电通道形成和发展过程，其微放电的寿命约为4ns。获得了电子、离子、介质表面电荷密度和电场强度随空间和时间的分布，发现在高压线圈的位置附近电子、离子和介质表面电荷密度存在极值。与典型平板介质阻挡放电相比，微放电中的电子密度、场强增加2~3个数量级。     

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     

大气压Ar／NH3介质阻挡辉光放电的仿真研究

为了研究火气压下氩气（Ar）中掺杂氨气（NH3）的Ar／NH3介质阻挡辉光放电的放电机理,通过建立一‘个多粒子的自洽耦合流体模型,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,以及带电粒子、中性粒子与空间电场强度的时空分布．仿真计算结果表明：气体间隙的周期击穿过程主要由气隙电压控制,并受气隙两侧介质极板上积聚的表面电荷的影响．气隙间带电粒子密度和电场强度的时空分布表明本文的放电过程存在阴极位降区、负辉区、法拉第暗区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域,放电模式为大气压辉光放电．在Ar/NH3等离子体中,主要的正离子为NH＋,其次为Ar2＋,主要的负离子为NHi：NH3分解产生的主要的激发态分子为NH,NH2和N2H3,而最终的稳态产物主要是N2和H2．     

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.     

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.     

介质阻挡放电点燃大气压直流均匀放电的光谱研究

由于大气压均匀放电等离子体在工业领域具有广泛的应用前景，为了获得大尺寸的大气压均匀等离子体，采用氩气作为工作气体，在大气压空气环境中利用同轴介质阻挡放电点燃了针-板电极间的大气隙(气隙宽度达到5 cm)直流均匀放电。研究发现，同轴介质阻挡放电能够有效降低针-板电极间的击穿电压。该均匀放电由等离子体柱、等离子体羽、阴极暗区和阴极辉区组成。其中等离子体柱和阴极辉区都是连续放电。而等离子体羽不同位置的放电是不同时的。事实上，等离子体羽放电是由从阴极向着等离子体柱移动的发光光层(即等离子体子弹)叠加而成。利用电学方法测量了放电的伏安特性曲线，发现其与低气压正常辉光放电类似，均具有负斜率。采集了放电的发射光谱，发现存在N₂第二正带系、氩原子和氧原子谱线。通过Boltzmann plot方法对放电等离子体电子激发温度进行了空间分辨测量，发现等离子体柱的电子激发温度比等离子体羽的电子激发温度低。通过分析放电机制，对以上现象进行了定性解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

正弦削波电压调控大气压氦气非平滑表面介质阻挡放电均匀性的仿真研究

在大气压介质阻挡放电的实际应用中,等离子体通常作用于非平滑表面.其表面形貌导致的电场畸变和表面电荷分布不均匀,会对放电的均匀稳定产生不利影响.建立了下介质板为波浪状的大气压氦气介质阻挡放电仿真模型,并采用正弦削波电压对放电均匀性进行调控.结果表明:相比于未削波情况下,放电均匀性提高,介质阻挡放电从柱状放电模式转换为准均匀放电模式.这可以归因于气隙电压降低而产生的不完全放电消散;随后的电子回流过程使残余空间电子与表面电荷中和,限制了表面电荷积累.随着削波比例增加,表面电荷分布更为均匀,进而导致电场分布在径向上波动减弱.此外,在一定削波范围内放电效率也有所提高.本研究揭示了削波电压对非平滑表面介质阻挡放电的影响机理,为介质阻挡放电均匀性调控提供了新的思路.     

Numerical studies of atmospheric pressure glow discharge controlled by a dielectric barrier between two coaxial electrodes

The glow discharge in pure helium at atmospheric pressure, controlled by a dielectric barrier between coaxial electrodes, is investigated based on a one-dimensional self-consistent fluid model. By solving the continuity equations for electrons, ions, and excited atoms, with the current conservation equation and the electric field profile, the time evolution of the discharge current, gas voltage and the surface density of charged particles on the dielectric barrier are calculated. The simulation results show that the peak values of the discharge current, gas voltage and electric field in the first half period are asymmetric to the second half. When the current reaches its positive or negative maximum, the electric field profile, and the electron and ion densities represent similar properties to the typical glow discharge at low pressures. Obviously there exist a cathode fall, a negative glow region, and a positive column. Effects of the barrier position in between the two coaxial electrodes and the discharge gap width on discharge current characteristics are also analysed. The result indicates that, in the case when the dielectric covering the outer electrode only, the gas is punctured earlier during the former half period and later during the latter half period than other cases, also the current peak value is higher, and the difference of pulse width between the two half periods is more obvious. On reducing the gap width, the multiple current pulse discharge happens.     

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.     

The influence of dielectric surface charge distribution upon thepartial discharge behavior in short air gaps

A two-dimensional breakdown model based upon the continuity equations for electrons and ions and the Poisson equation is employed to examine the influence of surface charges upon the partial discharge behavior of a short metallic-dielectric plane-parallel electrode gap of 0.05 cm in an air-like mixture at atmospheric pressure. The form of charge distribution at the dielectric electrode surface is found to significantly affect a number of important discharge parameters, such as the uniformity of the electric field, the charge density and its radial distribution within the gap, as well as the discharge propagation time     

极板电压与间距对大气压射频氩等离子体放电参数的影响

 基于1维流体力学模型,对大气压射频裸露金属电极氩气放电过程进行了研究。模型中考虑了氩等离子体放电过程中主要发生的激发和电离等7个反应过程,对等离子体反应产生的主要粒子,包括电子、氩原子离子Ar⁺、氩分子离子Ar2⁺和氩激发态Ar^*等,建立连续性方程、动量方程和电流平衡方程。分析了极板电压、极板间距对上述粒子数密度分布的影响。给出了电子,Ar⁺,Ar^*和Ar₂⁺密度随极板电压及间距变化的时空演化过程。得出极板电压或极板间距的改变会使放电空间的电场发生改变,对应一定的极板间距,极板电压有一个最佳值,极板电压和间距的变化会使对应的极板间有一个最佳电场值,而对应最佳电场有一个等离子体气体间最佳反应系数,从而使放电空间粒子数密度发生改变。     

Characterizing uniform discharge in atmospheric helium by numerical modelling

One-dimensional fluid model of dielectric barrier discharge (DBD) in helium at atmospheric pressure was estab- lished and the discharge was numerically simulated. It was found that not only the spatial distributions of the internal parameters such as the electric field, the electron density and ion density are similar to those in a low-pressure glow discharge, but also the visually apparent attribute (light emission) is exactly the same as the observable feature of a low-pressure glow discharge. This confirms that the uniform DBD in atmospheric helium is a glow type discharge. The fact that the thickness of the cathode fall layer is about 0.5 mm, much longer than that of a normal glow discharge in helium at atmospheric pressure, indicates the discharge being a sub-normal glow discharge close to normal one. The multipulse phenomenon was reproduced in the simulation and a much less complicated explanation for this phenomenon was given.     

One atmosphere glow discharge structure revealed by computermodeling

A one-dimensional and self-consistent model of an atmospheric pressure, dielectric controlled, parallel-plate RF discharge is presented. The computer modeling provided information about the unexpected uniform glow structure of this discharge. The calculated parameters of the plasma, including the electric field, the potential, and the space charge density are analogous to those observed in a normal DC glow discharge. Images of plasma properties are presented and discussed     

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.     

Mode transition in homogenous dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure

The influence of driving frequency on the discharge regime of a homogenous dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure is studied through a one-dimensional self-consistent fluid model. The simulation results show that the discharge exhibits five notable discharge modes, namely the Townsend mode, stable glow mode, chaotic mode, asymmetric glow, and multiple period glow mode in a broad frequency range. The transition mechanisms of these modes should be attributed to the competition between the applied voltage and the memory voltage induced by the surface charges.