大气压射频辉光放电等离子体约束射流特性的研究

There would be wide applications for the advanced materials processing using the radio-frequency atmospheric-pressure glow discharge (RF APGD) plasma jet produced by the plasma generator with a bare metallic electrode configuration. Although the ambient air and the substrate for supporting the treated materials would influence the characteristics of the plasma jet, and thus, would influence the materials treatment quality, the studies in these aspects are seldom reported up to now. In this project, the stable RF APGD plasma jets will be produced using the planar-type generators with helium, argon or their mixtures as the plasma forming gas. The coupling effects of heat transfer, fluid flow and chemical reaction under different shielding effects (e.g., the solid or gas shielding) and the substrate positions are studied experimentally and numerically for the confined helium/argon RF APGD plasma jets. And subsequently, the relationship between the distributions of the electron/heavy-particle temperatures, the chemically reactive species concentrations, the plasma jet dimensions and the geometrical/operating parameters of the plasma generators is established. These results would be very important for the deeper understanding to the characteristics and the corresponding tuning mechanisms, as well as for the promotion of actual applications, of the RF APGD plasma jets.

大气压下采用裸露金属电极结构等离子体发生器所产生的射频辉光放电等离子体（RF APGD）射流在等离子体材料处理领域有着广阔的应用前景。在开放空间下环境空气以及载物基板对等离子体射流特性的影响将直接关系到等离子体材料处理的效果，然而目前有关这方面的研究工作还非常有限。本项目采用实验研究与数值模拟相结合的手段，以平板型等离子体射流发生器为主要研究对象，以氦、氩及其混合气体作为主要的等离子体工作气体产生稳定的RF APGD等离子体，对不同工作条件（包括固体屏蔽罩和屏蔽气两种屏蔽方式及基板位置）下等离子体约束射流区传热-流动-化学反应等多场耦合效应进行系统深入的研究，建立等离子体放电电压、电子/重粒子温度、活性粒子浓度及射流尺度等参数与发生器结构/工作参数之间的关系。这对于深入理解RF APGD等离子体约束射流特性及其调控机制、推动其在不同领域的实际应用具有重要的意义。

在本项目研究中，我们以大气压射频辉光放电（Radio-Frequency Atmospheric-Pressure Glow Discharge, RF-APGD）等离子体约束射流为研究对象，通过系统总结国内外有关较高气压下气体放电等离子体研究进展，在国际上首次提出了分析碰撞等离子体条件下质量–动量–能量非平衡协同输运机制的“能量树”概念。基于此，开展了采用固体屏蔽罩（硬屏蔽）和屏蔽气（软屏蔽）的RF-APGD等离子体约束射流特性的理论分析、数值模拟和实验研究，分析了不同工作条件，包括屏蔽方式、固体屏蔽管几何结构、屏蔽气化学成分等参数，对等离子体约束射流特性的影响规律。研究结果表明：（1）相对于自由射流，硬屏蔽和软屏蔽均会显著影响等离子体射流与环境气体间的质量、动量和能量交换，抑制环境气体卷吸所造成的等离子体射流的快速衰亡。（2）当采用石英玻璃管作为硬屏蔽时，射流总长度随石英屏蔽管长度的增加呈近乎线性增长趋势，而屏蔽管外的自由射流长度则随屏蔽管长度的增加呈现非单调变化；在本项目实验工况下，当屏蔽管长度为40 cm时获得的管外射流长度达到最大值，约15 cm左右；而当屏蔽管长度为100 cm时，所获得的约束射流总长度为109 cm，远大于无屏蔽管时4 cm的自由射流长度。（3）当采用气体作为软屏蔽时，由于不同屏蔽气的化学组成不同，其与等离子体射流相互作用过程中的化学反应动力学过程不相同，从而使得在其他参数保持不变的条件下所获得的等离子体屏蔽射流的特性亦不相同；数值模拟和实验测量均表明，当等离子体工作气和屏蔽气均采用氦气时，可以获得长度约34~35 mm的等离子体屏蔽射流，其长度同样明显大于相同放电工况下的等离子体自由射流（约17 mm）。上述研究结果为我们开展大气压放电冷等离子体在生物医学、环境保护等领域的应用研究提供了良好的条件，具有重要的理论意义和应用价值。