大气压低温等离子体射流电子能量调控及相关活性粒子的数值研究

论文摘要

大气压低温等离子体射流以其操作简单、安全性好、环境友好等显著优点,在过去几十年中受到了广泛的关注。近年来,等离子体射流在生物医学领域的应用已成为日益受到人们关注的研究热点。在这些应用中,被处理物往往受到周围环境水溶液的影响。作为等离子体射流中的重要粒子,电子参与了等离子体与水溶液的相互作用以及等离子体产生的活性粒子在水溶液中的传质,并有着重要的作用。因此,深入了解等离子体射流中电子的行为,有效调控电子能量,对等离子体射流在生物医学中的应用具有重要意义。本文建立并使用基于针-板放电结构的二维轴对称流体模型,对大气压低温等离子体射流电子能量的电源参数效应、结构参数效应、气体组分效应以及电子能量与活性粒子产生的相关性进行了系统的研究。其中,考虑的电子能量包括整个射流空间、子弹中以及阴极板附近这三个区域中的平均电子能量。本文的研究工作,主要包含以下方面的内容和结果::1.系统地研究了大气压氦气等离子体射流中电压幅值、脉冲上升沿以及二者的协同对电子能量的影响,详细地分析了空间电场对电子能量电源参数依赖的影响,揭示了空间电场在等离子体射流电子能量调控中的主导作用,获得如下的结果:（1）在较短的脉冲上升沿下,电压幅值对电子能量的影响显著;对于给定的电压幅值,各区域的平均电子能量均随脉冲上升沿的增加而减小。高电压幅值下,电子能量对脉冲上升沿有较强的依赖;在小的脉冲上升沿下改变电压幅值,或在高的电压幅值下改变脉冲上升沿,两种协同方式对电子能量的调控更灵敏有效。（2）与等离子体射流中的其他区域相比,等离子体子弹对射流中高能电子具有显著的贡献,尤其,调节电压幅值和脉冲上升沿,可以得到约10 eV的平均电子能量,这个能量覆盖了诱导水分子离解电子俘获机制所有过程的能量阈值,因此,对等离子体射流中活性粒子在水溶液中传质的研究具有重要意义。2.系统地研究了大气压氦气等离子体射流中电子能量的结构参数效应,并对其机理进行了详细分析。结构参数包括针电极半径、针板间距、介质管内径以及介质管相对介电常数。研究结果表明:（1）无论是在整个射流空间、子弹中还是阴极板附近,针电极半径对各区域的平均电子能量的影响均很小;针板间距的增大使各区域中平均电子能量明显减小;介质管对电子能量的影响仅在其内径较小时才明显地表现出来,介质管相对介电常数对电子能量的影响很小。（2）与等离子体射流中的其他区域相比,无论何种结构参数改变,等离子体子弹对射流中的高能电子均有显著贡献。3.系统地研究了大气压氦水蒸气、氩水蒸气、氦空气和氩空气等离子体射流中杂质气体浓度对电子能量的影响,并对相应的机理进行了详细的分析,获得了如下结果:（1）杂质浓度一定,氦等离子体射流中,整个射流空间、子弹中以及阴极板附近,各区域中平均电子能量均比氩等离子体射流中的高。（2）对于氦水蒸气等离子体射流,当水蒸气浓度低于0.1%,整个射流空间、子弹中以及阴极板附近,各区域中平均电子能量基本保持不变,之后随水蒸气浓度显著下降;对于氩水蒸气等离子体射流,各区域中平均电子能量仅在1%以上的水蒸气浓度时略有减小;两种工作气体之间产生的这一差异,主要是由于与氦和氩相关的电子碰撞反应的能量阈值不同。（3）在氦空气和氩空气等离子体射流中,整个射流空间、子弹中以及阴极板附近,各区域中平均电子能量在空气浓度低于0.5%的范围基本上均保持不变,但当空气浓度高于0.5%时,各区域中平均电子能量均有不同程度的减小。4.研究了大气压氦湿空气、氦水蒸气、氩水蒸气等离子体射流中活性粒子产生与整个射流空间平均电子能量的相关性,并对相应机理进行了详细分析。本章的研究获得了以下结果:（1）在氦湿空气等离子体射流中,通过调节电压幅值使平均电子能量增加,相应地OH、O3、O（1D）、O-的平均密度增大,但H2O2的减小。随着湿空气浓度的增加,电子能量逐渐减小,OH、O3、H2O2、O（1D）、C-的平均密度均呈现不同程度的增大。相比较,H2O2平均密度的增加更为显著。（2）在氦水蒸气和氩水蒸气等离子体射流中,减小针板间距使平均电子能量的增大,对应着OH平均密度增加,这种变化趋势在氦水蒸气中更为显著;在氦水蒸气等离子体射流中,当浓度低于0.5%时,基本上,平均电子能量不随水蒸气浓度改变,OH平均密度随水蒸气浓度线性增加,但浓度在0.5%以上时,平均电子能量明显减小,OH平均密度增加变缓;在氩水蒸气等离子体射流中,水蒸气浓度增加,平均电子能量几乎保持不变,同时OH平均密度基本上线性增加。（3）从实际应用的角度考虑,对于氦/杂质气体或氩/杂质气体等离子体射流等在生物医学中的应用,适当高的杂质浓度既能获得期望的电子能量,同时也能产生丰富的活性粒子。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 大气压低温等离子体射流及应用
•     1.1.1 等离子体
•     1.1.2 大气压低温等离子体射流
•     1.1.3 大气压低温等离子体射流应用
•   1.2 大气压低温等离子体射流分类
•     1.2.1 驱动电源类型
•     1.2.2 电极结构类型
•     1.2.3 气体组分类型
•   1.3 电子能量研究意义及其国内外研究现状
•     1.3.1 电子能量研究意义
•     1.3.2 电子能量国内外研究现状
•   1.4 论文的主要内容和章节安排
• 第二章 大气压低温等离子体射流的二维流体模型
•   2.1 大气压低温等离子体射流模型介绍
•   2.2 大气压低温等离子体射流二维流体模型
•     2.2.1 模拟结构
•     2.2.2 控制方程
•     2.2.3 模型验证
•   2.3 本章小结
• 第三章 大气压氦气等离子体射流电子能量的电源参数效应
•   3.1 电子能量的时空演化
•   3.2 电压幅值对电子能量的影响
•   3.3 脉冲上升沿对电子能量的影响
•   3.4 电压幅值和脉冲上升沿对电子能量的协同作用
•   3.5 本章小结
• 第四章 大气压氦气等离子体射流电子能量的结构参数效应
•   4.1 针电极半径对电子能量的影响
•   4.2 针板间距对电子能量的影响
•   4.3 介质管内径对电子能量的影响
•   4.4 介质管相对介电常数对电子能量的影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 大气压低温等离子体射流电子能量的气体组分效应
•   5.1 水蒸气浓度对电子能量的影响
•     5.1.1 模型参数和反应方程
•     5.1.2 氦水蒸气和氩水蒸气等离子体射流电子能量的水蒸气浓度效应
•   5.2 空气浓度对电子能量的影响
•     5.2.1 模型参数和反应方程
•     5.2.2 氦空气和氩空气等离子体射流电子能量的空气浓度效应
•   5.3 本章小结
• 第六章 大气压低温等离子体射流活性粒子产生与电子能量的相关性
•   6.1 氦湿空气等离子体射流活性粒子产生与电子能量的相关性
•     6.1.1 改变电压幅值
•     6.1.2 改变湿空气浓度
•   6.2 氦水蒸气和氩水蒸气等离子体射流OH产生与电子能量的相关性
•     6.2.1 改变针板间距
•     6.2.2 改变水蒸气浓度
•   6.3 本章小结
• 第七章 结论
•   7.1 主要成果和结论
•   7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘亚迪

导师: 谭震宇

关键词: 等离子体射流,电子能量调控,活性粒子,数值模拟

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山东大学

分类号: O53

总页数: 122

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