辉光介质阻挡放电的均匀性、自组织现象及机理研究

辉光介质阻挡放电（DBD）既是应用广泛的低温等离子体，也是一个理想的非线性系统，其均匀性问题是基础理论研究和应用工艺的核心问题之一。本项目研究辉光DBD的均匀模式与斑图模式的转换条件、斑图特性与放电条件（包括工作电压/频率、气体组分、介质表面状态、电极边界等）的关系、以及斑图自组织的时间-空间演化过程，旨在弄清影响辉光DBD 均匀性和斑图结构的关键因素，探索均匀DBD和斑图自组织形成机理。本项目的完成将对控制斑图、实现均匀辉光DBD和优化DBD应用工艺有重要参考价值，同时对非线性动力学和放电等离子体基本理论的发展有重要意义。

介质阻挡放电（DBD）的均匀性既是自组织斑图等非线性现象研究的核心问题之一，也是应用工艺的需求。本项目通过实验和数值模拟，研究了辉光DBD的均匀与斑图2种模式的转换条件、斑图形态与放电条件和外界因素的关系、以及DBD结构的时间-空间演化过程。研究表明：1）在辉光DBD中，驱动频率和电压决定DBD的放电结构（或均匀性）。在适当频率下和较低电压下，DBD一般呈现斑图模式；在很高或很低频率下、或者很高电压下，DBD沿电极方向放电均匀。2）外加离子源、电场或磁场对DBD结构有重要影响。离子源或电场干扰了DBD放电空间的电子分布，使DBD趋于均匀化；而轴向磁场约束了电子的侧向运动，使形成辉光斑图的条件苛刻化、放电均匀性增加。3）非均匀空间电荷的对局域放电的增强-抑制效应是辉光DBD斑图形成的主要原因。非均匀电荷使局域电离和放电增强，同时在局部形成横向电场，导致电子自聚集，使近邻区域的电子密度减小、放电减弱，形成“增强-抑制效应”。但是增强-抑制效应只有在一定的时间范围内才能显示。时间很短时，DBD电流下降期间沿电极的局域不均匀和不同步放电将使空间电荷均匀化；而时间很长后，等离子体衰减和扩散也使电荷均匀化。其他因素（包括电极边界、表面电荷扰动、外加电场、磁场等）则是通过各种方式影响空间电子的再分布或增强抑制效应，从而影响放电的均匀性或斑图形成。4）基于辉光放电基本过程和电压转移曲线的动力学模型可以很好地描述辉光DBD斑图的形成过程，它与一般非线性系统的反应-扩散方程相似，其相互作用项由非均匀种子电子对局域放电的促进和抑制作用来表征。5）DBD可以在电极以外产生大气压氦气等离子体射流。氦气流通道对射流的产生是必要的，但射流可以是双向的、与气流方向无关，主要由DBD电压决定。射流长度随电压而增长；推进速度亦然，约为103-4m/s。射流在外加电磁场中发生明显偏转和缩短。DBD射流与正电晕放电非常相似，维持射流的电场约~10kV/cm。本课题的成果对非线性系统的自组织斑图动力学研究具有重要意义，对辉光DBD的大面积化及应用工艺也有一定参考价值。