介質阻擋穩(wěn)態(tài)絲狀放電數值模擬

　　本文采用流體模型對純Ne介質阻擋放電(DBD)中的絲狀放電現象進行了研究. 通過模擬獲得了放電過程中電流、帶電粒子等物理參數的時間空間分布及絲狀放電的形成。結果表明,在pd值較低及方波驅動電壓條件下,初始均勻的DBD中將逐漸形成多個穩(wěn)定的絲狀放電通道,而且所有通道的絲狀放電同時進行,形成單個放電電流脈沖。同時模擬結果表明,在輝光放電范圍內,升高pd值,絲狀放電的數量將減少。

　　介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge ,DBD)是將絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電方式。通過介質阻擋放電可以在很大的氣壓范圍內(從真空到一個大氣壓或更高) 產生瞬態(tài)非平衡低溫等離子體,同時獲得自由基和準分子等活性粒子。DBD作為一種非常實用而有效的低溫等離子體產生方式,已廣泛應用于工業(yè)生產和科學研究中,如臭氧的產生、材料表面處理、半導體生產、環(huán)境保護等。

　　通常DBD間隙內的氣體放電由許多在時空上隨機分布的絲狀放電構成,這些絲狀放電的持續(xù)時間很短,一般為納秒量級。實驗發(fā)現,絲狀放電通常呈現圓柱型微通道,每一個絲狀通道就是一個放電擊穿過程。因此一些研究者將絲狀放電作為DBD的主要特性,并通過研究微放電的性質來研究DBD的整體特性。DBD中,多個絲狀放電之間相互作用,還會形成一些穩(wěn)定的結構,即自組織圖像,因此研究DBD絲狀放電的形成機理及其相互作用模式,成為近年來DBD實驗與理論研究的重要問題之一。而在材料表面處理、半導體生產中,DBD的絲狀放電影響到所產生的低溫等離子體均勻性和處理的效率。研究DBD中絲狀放電的產生和控制因素,也有利于改善DBD產生的等離子體特性。

　　人們已經獲得了很多不同條件下DBD中絲狀放電的圖像,美國的M. Klein等利用ICCD拍攝了一維DBD系統的時域圖像 ,但DBD絲狀放電的形成原因及影響因素還不能確定。Tatsuru 等發(fā)現在氧化鎂(MgO)薄膜覆蓋介質表面的DBD中,氬氣放電絲數目隨著電壓的增加而增多,而無氧化鎂薄膜覆蓋的DBD中,絲狀放電發(fā)生旋轉。董麗芳等利用水電極DBD 放電,獲得了絲狀放電構成的四邊形、六邊形等結構,他們還在高壓氬氣DBD實驗中,發(fā)現隨著電壓升高,系統先后出現放電絲個數增加及單個放電絲每半周期脈沖數增加,以此來增大DBD 的總電流。在理論上,一些研究者利用數值模擬對絲狀放電進行了很多研究,加深了人們對于絲狀放電特性的認識. Haruaki研究了DBD準分子燈中多條絲狀放電的形成,認為絲狀放電沿著介質表面擴散的邊緣是下一個脈沖中絲狀放電的起點;Brauer 等通過模擬認為,當外加電壓超過擊穿電壓,必然形成周期性的絲狀放電;張遠濤等采用簡化的二維雙流體模型對大氣壓下絲狀放電的整體時空演化進行了研究。然而以上的研究有的是在不均勻的初始條件下給出的,有的研究結果是在高氣壓下pd 值較大情況下的非穩(wěn)態(tài)絲狀放電。

　　本文主要通過流體模型對介質阻擋放電過程進行數值模擬,分析了pd 值較小條件下DBD 的穩(wěn)態(tài)絲狀放電過程。

1、DBD絲狀放電模擬模型

1.1、物理模型

　　模似所采用的模型為局域電場近似模型(LFA) ,包括電子和離子的連續(xù)性方程,泊松方程及相應的邊界條件。這一近似模型適合于描述輝光放電條件下的弱電離等離子體。在LFA模型中,離子和電子的連續(xù)性方程和動量轉移方程為 :

　　其中np和ne分別為離子p和電子的密度,Γp和Γe為離子和電子的通量密度, Sp(r,t)和Si(r,t)分別為離子、電子的源項。μp、Dp、μe 、De 為離子及電子的遷移率和擴散系數。

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、結論

　　本文采用流體模型對介質阻擋放電過程進行了模擬,研究了氣壓為幾十～13×10³Pa 、pd值較小條件下DBD的絲狀放電。結果表明,在低pd值條件下,初始均勻的放電經過幾個脈沖后,將逐漸產生多個放電絲,而且所有的絲狀放電幾乎同時進行,形成單一放電電流脈沖。因此,若pd 值較低,采用方波脈沖電壓,可以在輝光條件下獲得穩(wěn)定的絲狀放電。而如果升高氣壓,放電絲在演化過程中可能出現合并。有關DBD 絲狀放電的成因及影響因素,將在后繼工作中進一步探討。