数值研究脉冲射频大气压N2/O2混合气体放电中等离子体的基本特性

Pulsed modulation radio-frequency plasma has attracted increasing attention in the research of atmospheric pressure mixture gases discharge. In this work, a self-consistent fluid model code is developed for the simulation of pulsed modulation radio-frequency discharge, which can simulate the process of N2/O2 discharge. The emphasis of this project is to investigate the influence of the pulsed radio-frequency parameters (pulsed frequency, duty cycle etc.) on the characteristics of discharge, especially the influence of the physical process (electron heating mechanism, ionization mechanism, energy loss mechanism and the reaction of physical an chemical)on the stable discharge and chemical activity, the theory results will be given and the parameters will be discussed at last .The results of this work will be helpful for the designation and optimization of the pulsed radio-frequency discharge equipment.

在大气压混合气体放电的研究工作中，脉冲射频等离子体源得到了越来越多的关注。本项目将建立一个适用于脉冲射频大气压等离子体源的自洽的流体模型数值求解器。该模型求解器可以有效模拟大气压N2/O2混合气体放电过程。本项目将通过该数值求解器来研究脉冲调制射频放电参数 (比如调制频率、占空比等) 外部参数对放电特性的影响，特别是放电中的物理过程(场加热机制、电离机制、能量损失机制及物理化学过程等) 对放电稳定性及化学活性的影响，最后将给出相应的理论结果和参数的讨论。研究结果可以为脉冲射频放电设备的设计优化等提供一定的参考及解决方案。

大气压下的低温非平衡态等离子体的产生不需要十分昂贵的真空设备以及真空系统的维护，并且可以获得大范围的均匀的非平衡等离子体。由于有这样的优越性，大气压放电等离子体可以十分方便的在工业生产中进行应用。然而，在大气压下电子平均自由程相比于低气压下更短，需要从更高的激发电场中获得能量产生电离，与此同时在高激发电场下电子容易产生雪崩击穿，放电容易发生不稳定性。因此可以看出在大气压下获得均匀的辉光等离子体比较困难。本项目采用数值模拟的方法研究了大气压下氮气和氧气混合气体放电的基本特性。首先，本项目研究了大气压下氩气和氧气混合气体的基本特性。在大气压氩气放电中加入少量的氧气，随着氧气含量的增加，从电子密度的角度来看，放电随时间进入到三个阶段。并且，随着氧气含量的增加，带电粒子密度增加，电子吸收能量以及损耗能量均增加。当氧气含量为0.6% 鞘层区域的欧姆加热出现双峰结构。其次，驱动电源对放电特性也有着重要的影响。本项目采用1-D流体模型对大气压裸金属电极结构的双频驱动的大气压氦气气体放电等离子体的特性进行了研究。研究了双频调制大气压氦气放电中高低频电压、高低频频率等不同的匹配方式对等离子体参数的影响，并且通过对电子密度、电场强度、电流密度以及电子加热机制等分析了大气压双频氦气放电的调控机制。随着高频源频率及电压的增加，放电中等离子体密度增加，电子吸收的能量增加，电子损失的能量也增加。相比于高频源对等离子体特性的影响，随着低频源电压的增加等离子体密度电子文顿均减小，低频源频率将不影响电子密度及电子温度。本项目的研究为了大气压气体放电提供了更多的优化等离子体参数的手段。最后，本项目研究了在大气压下脉冲调制射频的氩气放电。研究表明，脉冲调制射频源可以控制放电的稳定性，并且可以提供更多的调制等离子体参数的手段。