直流激励等离子体喷枪的放电模式及机理研究

Plasma jet can generate a kind of uniform plasma plume in the ambient air, which makes the material to be treated not confined in the narrow discharge gap, and has extensivepotentials in many application fields, such as thin solid film deposition, surface modification, material etching, biological medicine, environment protection, etc. It has become a hot issue of low-temperature plasma research. Although much progress has been made in the investigation of plasma jet excited by alternating current voltage and pulsed voltage, there are some basic problems need to be clarified for the direct-current plasma jet. Therefore, based on the previous work of our research group, a plasma jet in needle-ring (or plate) configurations is investigated by electrical, optical and spectroscopic methods in this project in order to solve some important problems about the direct-current jet, such as the discharge mode transition, discharge mechanism, and plasma parameters, etc. The influence of the jet configurations, gas species and their flow rate as well as the circuit parameters on the discharge mode transition will be studied by the combination of experimental investigation and numerical simulation. The propagation mechanism of plasma plume will be discussed for the various discharge modes. The spatial and temporal evolution of plasma parameters will be obtained. Furthermore, the physical mechanism of discharge mode transition will be discussed for the plasma jet excited by a direct-current voltage. These research results will lay a solid foundation for the industrial applications of plasma jet.

大气压等离子体喷枪可以在空气环境中产生等离子体羽，使待处理物体不受放电间隙尺寸的限制，在薄膜生长、表面改性、材料刻蚀、生物医疗、环境保护等领域都具有良好的应用前景。等离子体喷枪研究是低温等离子体领域的热点问题。目前，等离子体喷枪研究虽然取得了较大进展，但主要围绕交流激励和脉冲激励，关于直流激励等离子体喷枪还有一些基本性问题亟待解决。针对于此，本项目在前期工作的基础上，利用针-环（板）型等离子体喷枪，采用电学、光学和光谱学手段对直流电源激励下喷枪的放电模式、放电机制和等离子体参数等重要物理问题进行研究。通过实验研究和数值模拟相结合的研究手段，拟搞清楚喷枪结构、工作气体种类和流量以及外电路参数对放电模式的影响；确定各种放电模式的等离子体羽传播机制；研究各种模式下等离子体参数的时空演化规律。在此基础上，建立起直流激励等离子体喷枪中各种放电模式的物理模型，为等离子体喷枪的应用研究奠定坚实的基础。

大气压等离子体喷枪可以在空气环境中产生低温等离子体羽，由于待处理物体不受放电间隙尺寸的限制，它在众多领域具有广泛的应用前景。等离子体喷枪是低温等离子体研究的热点问题，近些年在国内外研究者的努力下相关研究虽然取得了较大进展，但主要研究围绕交流激励和脉冲激励的等离子体喷枪，对于直流激励喷枪的放电特性和模式尚不清楚。针对于此，本项目提出利用实验研究结合数值模拟对直流激励的等离子体射流机理进行研究。经过团队四年的努力，我们顺利完成了计划书的全部研究内容。在针-环和针-网（板）型等离子体射流方面，利用氩气、氦气、氮气及多种混合气体产生了直流激励大尺度等离子体羽，并获得了相关等离子体羽的放电模式和放电特性；利用光谱法研究了不同模式等离子体羽的电子激发温度、振动温度、气体温度、电子密度等参数的时空分布；利用吸收光谱及线化强度法计算了氧原子、羟基等活性粒子的时空分布，优化了等离子体喷枪的运行参数；光学方法结合高速影像，研究了不同模式等离子体羽中放电的传播过程，分析了定向流光向分叉流光转化的影响因素；数值模拟方面，采用粒子模拟的方法，对直流空腔电极射流的放电模式进行了数值模拟，发现其具有限制于空腔内的收缩模式和空腔外发展的扩展模式，进而分析了实验参数对放电模式的影响。采用流体模拟对几种波形激励的高气压放电特性和非线性行为进行了揭示。相关研究结果在国内外重要刊物（如Appl. Phys. Lett.、Plasma Sources Sci. Technol.、Phys. Plasmas 等）发表了SCI收录论文36篇，其中JCR二区9篇。授权国家发明专利9件。并在国内外重要的相关学术会议上报告最新研究成果，例如在2018年物理学秋季会议做分会特邀报告、第二十一届静电学术会议优秀口头报告，2019年物理秋季会议优秀墙报等。通过此项目的研究，培养毕业硕士研究生16人，在读博士研究生3人。