大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理

经典放电理论(Townsend和流注理论)解释纳秒脉冲气体放电存在局限性,近年来基于高能电子逃逸的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注.但是目前对大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理研究仍较少,严重阻碍了纳秒脉冲放电等离子体的应用发展.本文利用一维粒子模型,对幅值为20 kV的纳秒脉冲电压驱动下,间隙长为1 mm的板-板电极之间的大气压空气放电中逃逸电子的产生机理进行了数值模拟研究..结果表明,在空间电荷动力学行为的影响下,板-板电极之间出现了增强电场区域,使得电子可以满足电子逃逸判据而进入逃逸模式.此外,还观察到放电通道前逃逸电子的预电离效应导致了二次电子崩的产生,随着二次电子崩与放电通道不断汇聚,引导并加速了放电通道的发展,最终导致气隙击穿.本研究进一步揭示了纳秒脉冲板-板放电机理,拓展了纳秒脉冲气体放电基础理论,为纳秒脉冲放电等离子体的应用和发展开辟了新的机会.     

重复频率脉冲流注放电演变现象与机制研究进展

重复频率脉冲流注放电是低温等离子体前沿应用的关键使能因子,然而,高重复频率脉冲作用下流注放电呈现复杂的不稳定和记忆效应现象,放电基础演变机理和调控方法尚不完善,极大影响应用的安全性和放电特性调控的有效性。综述了重复频率脉冲流注放电演变现象与机制的研究进展。首先归纳了重复频率脉冲流注放电的强非线性和渐进式演变特征,然后分析不同类型放电记忆效应因子对后续流注起始和传播的作用机制,最后总结了脉冲波形参数对重复频率脉冲流注放电的影响规律。凝练了重复频率脉冲流注放电演变机制研究的若干挑战,对脉冲放电等离子体机理研究具有一定的借鉴作用。     

纳秒脉冲气体放电机理探讨

 经典Townsend机理和流注理论是气体放电研究的基础,但在解释纳秒脉冲气体放电时均存在一定缺陷。基于经典气体放电理论,探讨纳秒脉冲气体放电机理,分析流注理论判据在纳秒脉冲气体放电中的有效性,解释纳秒脉冲下电子逃逸现象和基于电子逃逸的快速电离波击穿理论,仿真计算高能快电子的逃逸过程。结果认为基于高能量快电子的逃逸击穿将是可能解释纳秒脉冲下气体放电现象的依据。     

光电离速率影响大气压空气正流注分支的机理研究

大气压空气中的流注放电有广泛的理论和应用研究价值,包括雷电机理、输变电系统空气绝缘理论以及材料表面改性等.流注是一个快速发展的强电离区域,在传播过程中存在着一种重要的特点—分支现象.光电离为正流注发展提供必要的自由电子,且实验结果表明分支特征与流注头部的光电离速率密切相关.本文基于新的流注分支判据,采用了粒子网格单元与蒙特卡罗碰撞相结合(PIC-MCC)的三维放电模型(Pamdi3D)进行数值仿真验证.为了研究光电离速率对正流注分支的影响,仿真了毫米尺度间隙针-板电极正流注发展,系统研究了不同光电离参数的影响.当减小氮气-氧气比例、光子吸收截面或光电离效率系数后,流注均更早地出现分支现象.这些计算结果表明大气压空气中流注头部光电离速率的降低将导致其发生分支的概率更高.     

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.     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明:当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。     

脉冲电磁驱动低温螺旋流注放电机理

特定脉冲放电参数条件下,原来沿直线传播的低温等离子体射流放电通道会在脉冲电磁驱动下发生放电模式转换,形成螺旋形态的流注通道.与传统的螺旋波放电不同,实验中并没有外加恒定磁场等破坏介质管极向对称性的因素,而且螺旋的手性方向会随放电参数变化.为深入了解等离子体射流中螺旋结构的电磁作用机理,探索其导致螺旋形态和决定手征性的极向电场来源及影响因素,本文通过建立完备自洽的等离子体理论模型,对螺旋流注的手性方向、螺距变化、分叉等复杂放电特性和电磁机理进行分析.研究发现击穿时极向电场波模的初始相位对螺旋流注的手性选择存在影响,电子密度对螺旋流注的螺距参数存在影响,放电的脉冲重复频率对螺旋流注分叉的分叉点位置存在影响.以上放电特性及其影响因素对探明电磁波与等离子体的相互作用机制具有重要科学意义,同时也为低温等离子体的手性应用提供实验和理论支撑.     

激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.     

均匀电场SF6短气隙放电过程动态模拟

根据基本物理定律和流体力学,构建均匀电场下SF₆短气隙放电流体模型,运用通量校正传输法(flux-corrected transport)数值分析大气压下4 mm间隙SF₆的放电过程,展现放电空间带电粒子产生、复合、附着、扩散以及光致电离动态过程,获得了放电间隙电场畸变、带电粒子动力学行为和放电通道形成发展历程和时空分布,根据R-M判据求出模型放电过程中电子崩转向流注的时空临界点,印证了光致电离在流注发展阶段的重要作用.     

离子推力器放电腔数值模拟

 为更好地理解放电腔内等离子体物理机制,对Kaufman型离子推力器放电腔进行了数值研究,其中初始电子采用粒子模拟的方法处理,二次电子和离子采用漂移-扩散流体近似描述。模拟结果与已有实验测量数据进行对比表明：所采用计算方法适用于放电腔内等离子体流动规律的数值研究;模拟得到的稳态下等离子体分布及变化规律与实验测量数据相吻合;磁场的设计对初始电子起到显著的约束作用,有效地提高了其与工质气体的电离碰撞几率;二次电子的精确描述还需在流体方程中耦合磁场效应。     

Simulation of the 3D viscoelastic free surface flow by a parallel corrected particle scheme

In this work,the behavior of the three-dimensional(3D) jet coiling based on the viscoelastic Oldroyd-B model is investigated by a corrected particle scheme,which is named the smoothed particle hydrodynamics with corrected symmetric kernel gradient and shifting particle technique(SPH_CS_SP) method.The accuracy and stability of SPH_CS_SP method is first tested by solving Poiseuille flow and Taylor-Green flow.Then the capacity for the SPH_CS_SP method to solve the viscoelastic fluid is verified by the polymer flow through a periodic array of cylinders.Moreover,the convergence of the SPH_CS_SP method is also investigated.Finally,the proposed method is further applied to the 3D viscoelastic jet coiling problem,and the influences of macroscopic parameters on the jet coiling are discussed.The numerical results show that the SPH_CS_SP method has higher accuracy and better stability than the traditional SPH method and other corrected SPH method,and can improve the tensile instability.     

等离子体气动激励机理数值研究

基于介质阻挡与准直流电弧放电的物理过程, 分析了它们的气动激励机理, 建立了各自的气动激励模型, 并分别研究了它们对低速和超声速流动的激励效果. 结果显示: 介质挡板放电等离子体气动激励机理是改变了连续流体中的三种力, 即由牛顿内摩擦引起的剪切应力、由电动力学引起的体积力及由压力突变引起的冲击力, 其中基于电动力学的体积力效应占主导地位; 临近空间环境中体积力的作用效果更强, 诱导速度更大; 超声速来流下准直流电弧放电气动激励机理主要是等离子体的热阻塞效应, 本文所建立的爆炸丝传热模型可以用于仿真其控制激波的过程; 热电弧对于超声速来流而言就像一个具有一定斜坡角度的虚拟突起, 可用于高超声速飞行器前体激波的控制.     

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).     

耦合方法在超高速碰撞数值模拟中的应用

 相比于传统的数值方法，无网格光滑粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）更适合模拟超高速碰撞问题，它能够清晰地模拟材料界面，并且能够克服中网格大变形导致的数值不稳定。然而在SPH方法中，为了得到t时刻一个节点上的物理量，需要先找出与它相互作用的临近节点，导致计算速度很慢，计算所需的时间远远大于有限元方法所需的时间。采用SPH与Lagrange法相耦合的方法对3D超高速碰撞过程进行了模拟研究。计算结果表明：SPH与Lagrange法耦合方法的计算结果与SPH计算结果精度接近，并且能够大大地节省计算时间。     

电子回旋共振离子推力器放电室等离子体数值模拟

电子回旋共振离子推力器属于静电型推力器,具有寿命长、比冲高、结构简单、可靠性高等优点,适用于深空探测等长时间空间飞行任务.放电室是一个关键部件,其内部通过电子回旋共振产生等离子体.针对放电室内等离子体流场建立飘移-扩散近似模型,采用迎风格式有限差分法对该模型进行数值求解,得到了放电室内不同时刻的等离子体流场分布及其演化规律.数值模拟结果可以为推力器的设计和实验研究提供有用信息.     

Influence of Gap Spacing between Dielectric Barriers in Atmospheric Pressure Discharges

The breakdown activity in helium atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) plasma is strongly modified by introducing small impurities (nitrogen (N₂) and air in ppm), although its precise implications for the behavior of discharge plasma is not evident under several constraints. In this simulation study, we investigate the influence of gap spacing between the dielectric barriers to explore the dynamic modification in the structure of discharge plasma in distinct phases of the discharge current pulse using a two‐dimensional fluid model in He‐air gas mixture. Specifically, the impact of nitrogen and air impurities is contrasted by exploring the spatial distributions of electrons in the breakdown phase under similar operating conditions. The filamentary mode of DBD plasma in He‐N₂ is transformed into uniform glow discharge in He‐air gas mixture by the dominant effect of Penning ionization. Finally, the outcomes of two‐dimensional fluid model are validated by comparing with three‐dimensional fluid model to provide the reliability of numerical simulations. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

对阴极双辉等离子体的实验研究

介绍了双辉离子渗金属技术的原理，对该技术所采用的不等电位对阴极双辉光放电的等离子体态性能进行了实验研究。研究表明：在一定条件下在阴极双辉放电中能够产生增强型放电，对增强型放电的特征以及增强型放电的原因进行了初步的探讨。     

Numerical study on the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced plasma

Based on the fluid theory of plasma, a model is built to study the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced argon plasma. In the model, species such as electrons, N2+, N4+, Ar+, and two metastable states (N 2(A3∑u+), N2 (a1 ∑u-)) are taken into account. The model includes the particle continuity equation, the electron energy balance equation, and Poisson抯equation. The model is solved with a finite difference method. The numerical results are obtained and used to investigate the effect of time taken to add nitrogen gas and initially-induced argon plasma pressure. It is found that lower speeds of adding the nitrogen gas and varying the gas pressure can induce higher plasma density, and inversely lower electron temperature. At high-pressure discharge, the electron density increases when the proportion of nitrogen component is below 40%, while the electron density will keep constant as the nitrogen component further increases. It is also shown that with the increase of initially-induced argon plasma pressure, the density of charged particles increases, and the electron temperature as well as the electric field decreases.     

用于激励高功率气体激光的自持体放电技术

通过两种放电等离子体形成的模型，研究了自持体放电的形成过程，介绍了能量注入激光介质的特点，并以不稳定模型解释了体放电收缩过程。分析了各阶段放电对激光输出特性的影响，并给出了较好的放电实验参数。