大气压等离子体射流中非线性现象的特征及演化机理研究

Atmospheric pressure plasma jet (APPJ) has shown great developing potential and prospect in many application fields, however, the existence of non-linear phenomena such as bifurcation, quasi-period and chaos under certain discharge conditions could affect the treating effect with samples. So far, no explicit explanations are given on those phenomena, which restrict the development of APPJ discharge theory and its practical applications on some level. In this project, we will study the characteristics of non-linear phenomena and their evolution mechanisms under various control parameters, namely the frequency and amplitude of applied voltage, flow rate and compositions of working gas, by the means of precisely plasma diagnostics to obtain the distributions of optical-electrical parameters. The main content of this project is to study the identification of nonlinear phenomena, the rules of dynamic transitions and the relevant plasma physics processes and parameter distributions. Focusing on the effective control of dynamic behaviors in APPJ, we will create the evolving maps of non-linear phenomena under different control parameters, and finally establish the connections among various control parameters, non-linear phenomena and plasma characteristics. Our study will promote the development of APPJ discharge theory, and enhance the controllability of plasma parameters in APPJ, and provide theoretical support and technical guidance to practical applications.

大气压等离子体射流（APPJ）在诸多应用领域表现出重大的发展潜力和前景，而在某些放电条件下出现的分岔、准周期和混沌等非线性现象可影响其对样品的作用效果。目前针对此现象尚无明确的解释，在一定程度上制约了APPJ放电理论和实际应用的发展。本项目重点针对外施电压幅值、频率、工作气流量及工作气体组分等控制参数，应用精密等离子体诊断技术来获取APPJ的光-电特征参数分布，围绕不同控制参数下APPJ非线性现象的特征及演化机理这一核心，重点探索各种非线性现象的表征方法、演化规律、等离子体物理过程与参数分布等问题；瞄准如何有效控制APPJ的动力学行为，绘制不同控制参数下非线性现象的演化图谱；最终建立多控制参数、非线性现象和等离子体特性之间的关联性。研究有助于推动APPJ放电理论的发展，也为增强APPJ等离子体参数的调控能力、促进其实际应用提供理论支持和技术指导。

大气压等离子体射流（APPJ）是一类重要的低温等离子体产生源。其可在开放大气环境中稳定维持接近室温的气体温度、且放电内部富含自由基和高能电子等活性物质，因此在生物医学、敏感材料表面处理和改性等领域具有广阔的应用前景。APPJ本身作为一个复杂的非线性动力学系统，在一定的控制条件下会表现出倍周器分叉甚至混沌等时域非线性特征。这些非线性行为一方面可用于降低等离子体医学中的抗药性，另一方面会破坏放电的稳定性，因此有必要对此问题的物理本质进行研究，从而在此基础上探讨调控放电非线性模式的方法。本项目主要针对APPJ非线性行为的产生和演化的物理机制，建立流体仿真模型研究了不同控制参数下非线性模式的演变规律，分析了等离子体内部物理过程与宏观时域电流波形的相互影响和对应关系；提出了一种短间隙放电结构下非线性行为的出现是由于电子-离子演化步调失调所导致，这一结果完全有别于长间隙放电空间中非线性行为的主导机制，从而补充和完善了现有的等离子体非线性动力学理论；强调了气隙电压换向时电子回流对非线性模式调控的重要作用，并且提出了一种利用辉光放电正柱区消散时间与外施电压周期的比例关系来预测非线性模式的方法。.此外，在本项目的资助下，进一步开展了APPJ与复杂材料表面相互作用的研究。提出了在氦气中混入微量的氦气可显著改善等离子体在绝缘介质表面的分布及活性粒子通量、负极性APPJ在粗糙介质表面可获得更为均匀的分布形态、以及APPJ与多孔材料的作用及诱导放电特性。这些研究为下一步探讨APPJ在表面处理及化工催化等领域的应用提供了基础。