Ar/O2、He/O2等离子体射流子弹中电子行为的数值模拟研究

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大气压低温等离子体射流在生物医学领域已有较广的应用。研究表明,当使用等离子体射流辐照生物组织时,预期的生物医学效应主要是通过反应生成的活性物质与生物组织的相互作用产生的。等离子体射流能够产生多种活性物质,等离子体在水溶液中的传质中,电子参与活性物质之间的协同作用,并在其中起着重要而积极的作用。因此,对等离子体射流中电子的行为有一个系统和深入的了解,具有重要的意义。本文建立并使用基于针板放电结构的一维PIC-MCC(Particle-in-Cell Monte-Carlo Collision)模型,对大气压低温等离子体射流子弹中电子行为的参数效应及相应机理进行了系统的数值模拟研究。本文的工作主要包含以下方面的内容和结果:1.系统地研究了改变氧浓度和外施电压时大气压氩氧等离子体射流子弹中的电子行为,包括电子的能谱和角谱、电子密度等特征量的估计、活性粒子的生成以及电子中高能电子的占比,计算分析了电子密度与活性粒子生成之间的相关性,获得如下结果:(1)氧浓度的增加使更多的电子向目标散射,即更多的电子有可能与目标相互作用,并且诱导活性粒子的平均密度急剧增加,但导致了子弹速度和平均电子能量的降低。此外,电子密度与O(1D)、O-和O2(a1Δg)这三种重要活性粒子的生成呈现弱相关。(2)随着外施电压的增加,向目标散射的电子减少,但70%以上的电子能量高于3.27 eV,这是诱导水分子解离电子附着的能量阈值,有利于等离子体射流在水溶液中传质中活性物质的生成。此外,电子密度与O(1D)、O-和O2(a1Δg)的生成为强相关。(3)与外施电压相比,活性粒子随氧浓度的增加幅度较大,表明增大氧气的添加可以显著促进活性粒子的生成。2.比较研究了大气压氩氧和氦氧等离子体射流子弹中的电子能谱、电子角谱、高能电子以及活性粒子的氧浓度效应,研究结果表明:(1)同一氧浓度下,与氩氧相比:氦氧等离子体射流子弹中电子能谱的峰值更低,分布范围更宽。随着氧浓度的增加,虽然氩氧和氦氧等离子体射流子弹中平均电子能量均逐渐降低,但氦氧的平均电子能量要明显高于氩氧的;氦氧等离子体射流子弹中电子角谱更多地向小角度偏移,这说明氦氧等离子体射流子弹中更多的电子向目标散射。(2)氩氧和氦氧等离子体射流子弹中在θ<90°角度范围内能量高于3.27 eV的电子占比均在70%以上,氩氧等离子体射流子弹中活性粒子的密度要比氦氧的高。
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