大气压纯氦气和氦氧混合气体的脉冲介质阻挡放电特性研究

摘要

低温等离子体具有较高的电子能量和较低的离子能量，且能够产生大量活性粒子，因此使其在工业生产中得到广泛的应用。介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarge)被认为是产生大气压低温等离子体的一种有效方法并受到人们的广泛关注。以往关于大气压介质阻挡放电的研究，通常采用正弦电压源激励，但随着脉冲功率技术的发展，以重频脉冲电压作为激励源的大气压脉冲介质阻挡放电显示出了其独特的优越性。近些年围绕大气压脉冲介质阻挡放电已经开展了一些工作，但关于放电特性与放电条件之间关系的研究还很有限，放电机理仍有待深入研究。为此，本文应用一维流体模型对大气压脉冲介质阻挡放电进行了模拟研究，论文主要包含以下方面的内容及结果:
　　1、重点描述等离子体的基本概念，低温等离子体的研究背景和意义，各种放电方式的研究现状及发展，重点介绍了脉冲介质阻挡放电的研究背景和意义。
　　2、分析气体放电中带电粒子的产生和消耗反应分类、放电过程中主要的电离和复合方式，为数值仿真计算中气体反应方程的选取提供理论依据。
　　3、建立大气压氦气脉冲介质阻挡放电的一维流体模型，对氦气大气压下脉冲介质阻挡放电电压、电流及各粒子密度等特性参量随时间的演化进行了详细的模拟计算，给出了大气压脉冲介质阻挡放电电压、电流随时问的变化关系以及放电过程中不同时刻离子密度、电子密度以及电场的空间分布，在此基础上对放电演化规律和特征进行了机理分析。
　　4、使用一维流体模型，系统地研究了大气压条件纯氦气的脉冲介质阻挡放电中，不同结构参数条件下（包括气隙宽度dg，二次电子发射系数γ,介质板厚度ds以及介电常数εr），频率对放电特性的影响。给出并分析了描述脉冲放电的重要的参数——放电电流密度Jg，平均电子密度Nave，平均耗散功率Pave，电子密度Ne和电子温度Te的轴向分布，得到了以下重要结论。Nave随f的增加而增加，Pave近乎正比于f。需要注意的是，研究发现，存在特征频率50kHz:当f低于50kHz时，Jm1（第一次放电时Jg的峰值）随f的增加而减小，但当频率高于50kHz时，变化幅度就非常小了。此外，当ds较小时，Jm2随着频率f的增加有较小的增加，然而当ds较大时，变化相反。Jm2对εr的依赖性与ds是相似的。固定频率下，Jm1随着γ的变化非常小。除此以外，Jm1和Jm2随着ds的增加而减小，但是随着εr的增加而增加，然而在高频情况下，当频率高于50kHz，第一次放电时，Ne在阴极鞘层外面有第二个峰值。ds较大或者εr较小都导致Ne在瞬时阳极附近出现峰值。
　　5、研究了氦氧混合气体的放电特性与纯氦气的不同，通过研究发现由于氧气是电负性气体，氧气杂质的掺加使得放电电流变小，同时由于氧气的加入，使得放电中起主要作用的带电粒子与纯氦气不同。在纯氦气中，负离子只有e，正离子He2+的数量远大于He+;而在氧掺量为0.5％的氦氧混合气体中，由于氧气的作用，带电粒子的种类增多，起主要作用的带电粒子也发生了变化，其中主要的正离子是He2+、O2，主要的负离子是O3-和O2-，电子e密度比纯氦气时小很多，电子数量的减少导致碰撞电离作用减弱，从而导致放电电流变小。