大气压非连续放电等离子体特性的粒子模拟研究

论文摘要

大气压下等离子体放电作为等离子体科学研究的重要领域,越来越多地受到了学界的关注。由于其容易在开放的环境下产生,因此对大气压等离子体的研究与应用具有重要意义。大气压等离子体在生物医学、环境保护、材料科学等诸多领域都有广泛应用。大气压放电因为气压高,碰撞剧烈,等离子体容易从非平衡态向热平衡态转化,因此较难控制。本文主要是通过非连续放电形式获得非热平衡等离子体,包括脉冲调制射频放电、纳秒脉冲放电。这样使得输入功率减小,放电体系温度较低。同时,非连续性放电可能产生大量高能电子,由于其可以依靠较高能量冲击化学键,促进甚至改变粒子之间的化学反应,因此广泛应用于各个领域,例如基因诱变,材料表面改性与处理等。大气压非连续等离子体放电存在气压高、间隙小、放电剧烈等特点,电子能量处于非麦克斯韦分布,电子能量概率分布函数（EEPF）随时间呈现出较长的高能电子尾部,表明产生大量高能电子。大气压等离子体在微尺度下的实验条件极度苛刻、诊断困难。本文对大气压下等离子体的脉冲调制射频放电和裸电极纳秒脉冲放电分别进行了PIC/MCC仿真模拟研究,从而准确地得到非连续等离子体的放电特性和动理学原理,并得出以下主要结论:1)脉冲调制射频放电在特定条件下可以产生大体积稳定的高密度等离子体,可以有效加热电子且减少功率损耗。如果将射频频率提高到甚高频及以上,会有极大的放电电流出现在power-on期间的第一个射频周期内电压上升阶段,并且产生大量的高能电子,甚至电子能量大于50 eV。研究高能电子和脉冲大电流产生机理,理解放电参数对等离子体放电特性的影响具有重要意义。通过改变输入电压占空比和power-off期间的电压调制比,探究其对高能电子密度和脉冲大电流的影响。模拟研究表明随着占空比的增大,高能电子密度逐渐变小,脉冲大电流幅值先增大后减小。随着power-off期间电压调制比的增加,高能电子密度逐渐减小,脉冲大电流幅值先减小后增大。本研究对于优化脉冲调制放电中大电流和高能电子的产生,及非连续放电向连续性放电的转化具有重要意义。2)纳秒脉冲放电是另外一种产生非平衡等离子体的重要放电形式,这种放电有较高的电子产生率,高能电子密度高。虽然现有文献已经用流体模拟的方法对脉冲放电进行了研究,但对大气压微间隙等离子体在几十纳秒的短时放电的研究相对欠缺。此时需用更准确的PIC/MCC模型,考虑微观电子能量变化对放电的影响。本文第四章采用粒子模拟方法对大气压纳秒脉冲放电进行研究,探究纳秒脉冲放电下各个阶段的放电特性和其产生机理,以及放电参数,如坪区长短、电压上升率对放电特性的影响。研究结果给出了电子离子密度分布、空间电场分布、EEPF在放电过程中的演化规律,并揭示演化的内部原因。同时,探究了坪区时长和电压上升率对放电特性的影响。研究表明,随着坪区时长的增加,峰值电流幅值逐渐增加。电压上升速度越快,尖峰电流和坪区后期的峰值电流幅值越大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 大气压非连续放电等离子体研究背景和意义
•   1.2 大气压低温微等离子体理论基础和研究现状
•     1.2.1 大气压等离子体
•     1.2.2 低温等离子体
•     1.2.3 微等离子体
•   1.3 非连续性等离子体放电形式研究现状
•     1.3.1 脉冲调制射频放电
•     1.3.2 脉冲放电
•   1.4 等离子体数值模拟方法介绍
•     1.4.1 流体模拟
•     1.4.2 粒子模拟
•     1.4.3 流体模拟和粒子模拟的对比
•   1.5 本文主要研究内容
• 第二章 粒子模拟方法及程序介绍
•   2.1 PIC/MCC模型发展简介
•   2.2 PIC/MCC模拟一般方法介绍
•     2.2.1 粒子模拟初始化
•     2.2.2 粒子模拟电荷分配
•     2.2.3 网格点电势、电场求解方法
•     2.2.4 粒子运动的推进方法
•     2.2.5 蒙特卡罗碰撞（MCC）
•     2.2.6 碰撞后速度的确定
•   2.3 程序简介
•     2.3.1 电势方程的建立
•     2.3.2 电路方程的建立
•     2.3.3 初始条件的确定
•   2.4 本章小结
• 第三章 大气压脉冲调制射频放电的粒子模拟研究
•   3.1 仿真模型的建立
•   3.2 占空比D对放电的影响
•   3.3 电压调制比r对放电的影响
•   3.4 本章小结
• 第四章 大气压纳秒脉冲放电的粒子模拟研究
•   4.1 纳秒脉冲放电过程演化分析
•     4.1.1 上升沿过程
•     4.1.2 坪区过程
•     4.1.3 下降沿过程
•   4.2 坪区对放电特性的影响
•   4.3 电压上升率对放电特性的影响
•   4.4 本章小结
• 第五章 结论
•   5.1 本文结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 匡野

导师: 王冠

关键词: 大气压放电,粒子模拟,脉冲调制射频放电,电子能量概率分布函数,纳秒脉冲放电

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: 73

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