大气压低功率微波等离子体射流的电离机制及形貌配置研究

Microwave plasmas have some excellent properties such as high density, high activity, low temperature, and so on. However, due to the need of very higher incident power for atmospheric gas discharges excited by microwave, thence it is difficult in realizing some special applications because of the expensive cost for microwave discharges at atmospheric gas pressure. Recently, we preliminarily studied two types of atmospheric pressure low-power microwave plasma jet devices. But its ionization mechanism had not been understood clearly and further it was difficult to configure specific discharge morphologies in order to meet the different application requirements. Aiming at the scientific problem of realizing difficulty for atmospheric low-power microwave discharges and its morphology configuration, by means of the resonant coupling discharges of the interaction between plasmas and microwaves while in combination with the advantages of the gas discharge easily triggered by local enhanced electrical field of surface plasmon ploration (SPP), the ionization developing mechanism of the atmospheric low-power surface-wave plasma (SWP) jets excited by microwave will be studied. The spatio-temporal evolution mechanism of plasma parameters of SWP jet will be acquired and the discharge morphology being suitable for the specific demands will be configured, through optimizing the discharge devices, selecting the electrode materials, modulating the discharge parameters, experimental diagnosing and numerical simulating the discharge process. Therefore, the research results of the project provide some scientific advices for the realization of atmospheric microwave discharges with lower input power and its morphology configuration, meanwhile afford physics prototype, configuration method and critical parameters for the applications of plasma industry by using the low-power microwave discharges at atmospheric gas pressure.

微波等离子体具有密度大、活性高及温度低等优异性能，但微波激发大气压气体放电需要很高的入射功率，因而大气压微波放电的实现代价较高，实际应用困难。近期我们初步研究了两类大气压低功率微波等离子体射流装置，然而对其电离机制尚未明晰，难于配置特定的放电形貌以满足不同的应用需求。针对大气压低功率微波放电及其形貌配置亟需探究的核心科技难题，采用等离子体与微波相互作用的共振耦合放电方法，结合表面等离激元(SPP)局域增强电场易触发气体放电的优势，探究微波激励大气压低功率表面波等离子体(SWP)射流的电离发展机理。通过优化放电装置、选用电极材料、调制放电参数、实验诊断并数值模拟放电过程，得出SWP射流等离子体参数的时空演变机制，配置适合特定需求的放电形貌。项目的研究结果将为大气压微波放电的低功率实现及其形貌配置提供科学依据，可为大气压低功率微波放电的等离子体产业应用供给物理原型、配置途径及关键参量。

与其它放电产生的低温等离子体源相比，微波等离子体源具有密度大、活性高及温度低等优异性能。但微波激发大气压气体放电需要很高的入射功率，因而大气压微波放电的实现代价较高，实际应用困难。在本项目的资助下，我们针对大气压低功率微波放电及其形貌配置亟需探究的核心科技难题，采用等离子体与微波相互作用的共振耦合放电方法，结合表面等离激元(SPP)局域增强电场易触发气体放电的优势，探究了微波激励大气压低功率表面波等离子体(SWP)射流的电离发展机理及其放电形貌的配置。具体取得成果如下：(1) 通过构建放电实验、控制放电参数和诊断放电过程，研究了该等离子体射流的(a)放电装置的构建与优化、(b)微波参数、工作气体组份及气体流速和(c)放电产生的带电粒子发展过程、活性粒子的种类及其时空分布，这三者及其之间的内在规律。(2) 采用电磁理论分析和数值模拟相结合的方法，深入探讨了该等离子体射流的电离发展机制，此部分主要研究内容包括：(d) SPP 激励SWP 射流的电磁理论分析、(e) SWP射流电离发展过程的数值模拟及(f) SWP 射流放电过程的自洽流体模拟。(3) 探究了热效应和气体成份时空分布对SWP 射流放电形貌的影响规律，进一步给出了满足不同应用需求放电形貌的配置方案。此部分的主要研究内容有：(g)电极材料的热电子发射、(h)电离炙热不稳定效应和(i)气体成份时空分布对放电形貌的影响。(4) 初步形成了一支稳定的电磁新装置研发课题组，提高了本项目参与人员的科学研究能力，特别是提高了分析电磁场与等离子体相互作用的研究水平，为建设具有较强知名度的电磁新装置研发团队做好了铺垫。 (5) 在国内外权威期刊上发表论文14 篇(其中IF>2 的SCI 论文7篇)，申请国家专利16项，培养研究生13名，参加学术交流12人次，邀请国内外知名学者来校交流5人次。