纳秒脉冲DBD等离子体特性及其脉冲与电路参数效应研究

摘要

气体放电是产生低温等离子体的有效途径，20世纪90年代以来，气体放电等离子体及其应用技术发展迅速。大气压脉冲介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharges，DBD）等离子体，拥有较好的稳定性、均匀性、化学活性和非热平衡性，且有丰富的活性粒子及较高的电子温度、等离子体密度和能量转换效率，适合开展大规模工业化应用，也给放电等离子体领域提供了新的研究内容。因此，大气压脉冲介质阻挡放电等离子体，具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。 运用数值模拟等研究方法，以氩气/四氟化碳等离子体和甲烷/二氧化碳等离子体为对象，采用纳秒脉冲电源，研究DBD等离子体特性及其脉冲与电路参数效应，主要包括3个方面的研究工作。 （1）大气压氩气/四氟化碳脉冲介质阻挡放电等离子体机理和特性的数值模拟研究。介绍了大气压氩气/四氟化碳脉冲介质阻挡放电等离子的研究背景、意义与国内外发展现状；详细阐述了本文建立和使用的大气压脉冲介质阻挡放电等离子体一维流体模型；计算和分析了不同四氟化碳含量下等离子体中的平均粒子密度、主要粒子的时空分布以及生成粒子的反应路径等等离子体的特征变量。研究发现，随着CF4含量的增加，Ar+的密度降低，其他正离子的密度升高，当CF4含量为70%时CF3和F的密度达到最大值。 （2）大气压甲烷/二氧化碳脉冲介质阻挡放电等离子体机理和特性的数值模拟研究。介绍了大气压甲烷/二氧化碳脉冲介质阻挡放电等离子的研究背景、意义与国内外发展现状；计算等离子体的放电电流密度、重要带电粒子及中性粒子的时空平均密度及空间平均密度、反应路径等重要特征变量。研究发现，在甲烷/二氧化碳等离子体中，二氧化碳与碳氢化合物的反应是生成CO的新途径。当CO2含量为70%时，CH3密度达到峰值，H2和其他碳氢化合物的粒子密度随着CO2含量增加而降低。 （3）使用一维流体模型，系统地研究了脉冲参数对大气压氩气/四氟化碳和甲烷/二氧化碳脉冲介质阻挡放电等离子体的影响。其中，脉冲参数包括外施电压振幅及脉冲宽度等。研究发现，增大外施电压振幅，缩短电压上升沿时间，都有助于提高粒子空间平均密度。 研究工作中建立的氩气/四氟化碳与甲烷/二氧化碳一维流体模型中，综合了多篇文献中考虑的粒子与反应，是一套相对更加完整的模型，粒子种类更加丰富，等离子体特性及粒子密度演化过程更加准确。建立的流体模型中所用主要电离反应速率系数，是通过下载最新的碰撞截面数据，并借助Bolsig工具软件拟合而得，代替了以往研究中从参考文献中得到反应速率系数，提高了实验数据的准确性。 然而模型中的大多反应缺乏碰撞截面数据和电子能量分布函数，无法精确求解相应的反应速率系数，后续会继续关注截面数据的更新，在模型中使用新出现的截面数据。此外,由于考虑到模型的复杂程度，简化了模型中相关的边界条件设置，以后的工作中会考虑通过增加热通量边界条件和分子态振动激发的能量损失等方法，更准确地描述等离子体物理化学过程。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 放电等离子体简介

1.1.1 放电等离子体概念及分类

1.1.2 常见放电等离子体的产生方式

1.2 研究背景

1.2.1 介质阻挡放电等离子体

1.2.2 大气压介质阻挡放电等离子体

1.2.3 大气压脉冲介质阻挡放电等离子体

1.3 主要工作与内容安排

1.3.1 研究问题及意义

1.3.2 研究方法

1.3.3 研究内容与章节安排

第2章 大气压氩气/四氟化碳脉冲DBD等离子体特性研究

2.1 研究现状

2.2 数值模型

2.2.1 模型结构

2.2.2 模拟粒子与基本反应

2.2.3 控制方程

2.3 四氟化碳含量对大气压氩气/四氟化碳脉冲DBD等离子体特性的影响

2.3.1 四氟化碳含量对粒子密度的影响

2.3.2 四氟化碳含量对反应路径的影响

2.4 本章小结

第3章 大气压甲烷/二氧化碳脉冲DBD等离子体特性研究

3.1 研究现状

3.2数值模型

3.2.1 模型结构

3.2.2模拟粒子与基本反应

3.3 大气压甲烷/二氧化碳脉冲DBD等离子体的数值模拟结果

3.3.1 大气压甲烷/二氧化碳脉冲DBD等离子体的特性参数

3.3.2 大气压甲烷/二氧化碳脉冲DBD等离子体中主要粒子的密度演变

3.3.3 大气压甲烷/二氧化碳脉冲DBD等离子体中主要粒子的反应路径

3.4 本章小结

第4章 脉冲与电路参数效应研究

4.1 引言

4.2 电压振幅对大气压氩气/四氟化碳脉冲DBD等离子体特性的影响

4.3 脉冲宽度对大气压甲烷/二氧化碳脉冲DBD等离子体特性的影响

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 研究总结

5.1.2 研究结论

5.1.3 创新之处

5.2 工作展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论著

致谢