微等离子体放电模式和模式转换的动理学研究

Microplasma is the plasma generated and sustained in relatively small spatial scale (typically <1mm in one dimension). Microplasma not only has important significance for basic research in plasma physics, but also has wide applications in materials, chemistry, and environment..In this study, we use a hybrid implicit Particle-In-Cell / Monte Carlo and fluid model, to study several configurations of microplasma with bare metal electrodes or dielectric barriers. We will study the different discharge modes in microplasma, like glow, streamer and arc mode, and discuss the breakdown conditions, respectively. We will also investigate the mode transitions, like glow-streamer, glow-arc and streamer-arc transitions, and discuss the transition conditions and plasma properties at this transient state. The simulation results will be compared with available experiments results and can become a valuable reference for related industrial research and experiment.

微等离子体(Microplasma)是在较小的空间尺度内产生的实验室等离子体。微等离子体不仅包含了特殊的击穿特性、模式转换、不稳定性等有趣的基础等离子体物理现象，而且在材料、化学、环境等方面也有重要的应用价值。本研究主要采用隐式粒子/蒙特卡洛和流体模型耦合的混合模型，研究金属电极与介质阻挡的微等离子体的性质，力图揭示微等离子体放电模式及模式转换的机制，研究其中的电子动理学及其控制方法，以及放电模式转换过程中临界等离子体参数和瞬态等离子体性质，并与相关实验进行对比。

微等离子体(Microplasma)是在较小的空间尺度内产生的实验室等离子体。微等离子体不仅包含了特殊的击穿特性、模式转换、不稳定性等有趣的基础等离子体物理现象，而且在材料、化学、环境等方面也有重要的应用价值。本项目建立了能描述金属电极和介质阻挡放电两种微等离子体的Particle-in-cell / Monte (PIC/MC)模型，模型建立了详细的二次电子、场致发射、热电子发射模型，改进了外电路模型使之能自洽考虑微等离子体和外电路之间的非线性相互作用，重新设计了模式转换过程模拟需要的诊断模块，能够高精度的记录等离子体的参数的时空演化过程。基于上述模型，针对裸电极驱动的微等离子体，研究了热发射、场致发射和二次电子维持的微等离子体的性质，给出了微等离子体击穿过程中参数完整的演化过程和模式转换过程，给出了低电压下不能的放电、中等电压下自持辉光和高电压下电弧或逃逸放电的模式转换过程。针对介质阻挡微放电，我们研究了不同的介质球形状和填充方式、介电常数、驱动电压、侧边电极对其中流注发展过程的影响，观察到了从体放电到表面放电的模式转换过程；还研究了介质表面存在的微孔中表面和体积放电增强现象以及流注传输方向的控制。上述研究结果不仅丰富了气体放电、击穿和模式转换的基础理论知识，对于微等离子体在等离子体催化、传感器等领域的应用也有重要的参考价值。