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).     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

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 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。     

大气压介质阻挡放电的光谱研究

使用水电极介质阻挡放电装置,分别在大气压空气和氦气中实现了稳定的高气压放电。通过水电极观察两种气体的放电,发现大气压空气中放电为空间随机分布的微放电丝,等离子体是不均匀的,而在氦气中放电没有微放电丝,空间分布比较均匀。比较而言,这种均匀放电产生的等离子体具有更广泛的工业应用前景。对两种气体中放电的电流波形进行了比较,发现空气中放电的电流脉冲在时间上是随机出现的而氦气中放电的电流脉冲在时间上具有周期性,并且空气中放电脉冲宽度约为几十ns而氦气中放电的电流持续时间较长,脉冲宽度大约为1μs。文章还对两种气体中介质阻挡放电发射光谱进行了研究,结果表明大气压氦气中均匀放电的N+₂(B2Σ+_u→X2Σ+_g)谱线391.4nm很强而在大气压空气放电中此光谱线很弱。这些研究结果对高气压条件下均匀放电的实现和大气压辉光放电的工业应用具有重要意义。     

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     

大气压介质阻挡射流放电离子速度分布的测量

通过测量大气压介质阻挡放电等离子体辐射信号,建立偶极子辐射模型,利用快速傅立叶变换,计算了大气压介质阻挡放电等离子体中离子速度分布。计算结果表明,速度分布偏离麦克斯韦分布,并且随着放电过程的进行,离子速度及相对离子数进行有规律的变化。     

介质阻挡均匀大气压氮气放电特性研究

基于一维流体力学模型，对介质阻挡均匀大气压氮气放电特性进行了数值计算研究.模型中考虑了氮气中主要的电离、激发过程，所包含的粒子种类为e，N₂，N⁺₂，N⁺₄，N₂(a¹∑^-_u)，N₂(A³∑⁺_u).模拟结果显示，氮中的放电具有低气压下汤生放电的特性.放电电流幅度较小，放电过程中气体电压变化缓慢，电子密度远低于离子密度，而且最大值出现在阳极，电子不能在放电间隙中被俘获，不存在中性等离子体区，气体中的电场趋于线性变化.亚稳态N₂(A³∑⁺_u)和N₂(a¹∑⁺_u)在整个放电空间都具有非常高的密度，比电子密度高三个量级以上，亚稳态密度的最大值出现在阳极，这样的分布决定了放电的空间结构.放电所需的种子电子主要由亚稳态之间潘宁电离提供，这种机理使放电的电离水平较低，导致氮气中的放电只能是汤生放电.随着放电参数的变化，多电流峰放电也可在氮气中获得. 关键词： 大气压均匀放电 介质阻挡放电 数值模拟 氮气     

大气压辉光放电研究现状及应用前景

大气压辉光放电由于均匀性好、能量效率高并且不需要真空系统，正日益受到人们重视和研究．文章综述了大气压辉光放电的研究进展，包括实验条件、放电特征、放电机理以及最新的诊断方法，还介绍它在薄膜沉积、材料表面改性、污染物质的消毒去污等方面的应用前景．     

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.     

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.     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明：s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

常压He气和N$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;气均匀介质阻挡放电的伏安特性

对带有多电流峰的常压He气均匀介质阻挡放电与常压N₂气均匀介质阻挡放电的伏安特性进行了实验分析. 分析结果表明：实验结果与模拟结果相符. 在带有多电流峰的常压He均匀介质阻挡放电中,辉光放电模式和汤森放电模式可以共存于一个多电流放电序列内. 此外,在放电电流增长阶段,可以根据常压均匀介质阻挡放电的伏安特性曲线的微分电导来判断均匀介质阻挡放电的放电模式. 在放电电流增长阶段,如果电流脉冲的伏安特性曲线呈现负微分电导,则电流脉冲为辉光放电模式;如果呈现正微分电导,则为汤森放电模式. 由此可以判断,常压N₂气均匀介质阻挡放电为汤森放电模式. 关键词： 伏安特性 辉光放电模式 汤森放电模式 常压均匀介质阻挡放电     

Simulation of radio-frequency atmospheric pressure glow discharge in γ mode

The existence of two diffe1：ent discharge modes has been verified in an rf （radio-frequency） atmospheric pressure glow discharge （APGD） by Shi [J. Appl. Phys. 97, 023306 （2005）]. In the first mode, referred to as a mode, the discharge current density is relatively low and the bulk plasma electrons acquire the energy due to the sheath expansion. In the second mode, termed γ mode, the discharge current density is relatively high, the secondary electrons emitted by cathodc under ion bombardment in the cathode sheath region play an important role in sustaining the discharge. In this paper, a one-dimensional self-consistent fluid model for rf APGDs is used to simulate the discharge mechanisms in the mode in helium discharge between two parallel metallic planar electrodes. The results show that as the applied voltage increases, the discharge current becomes greater and the plasma density correspondingly increases, consequentially the discharge transits from the a mode into the γ mode. The high collisionality of the APGD plasma results in significant drop of discharge potential across the sheath region, and the electron Joule heating and the electron collisional energy loss reach their maxima in the region. The validity of the simulation is checked with the available experimental and numerical data.