大气压氦气介质阻挡均匀放电模式转变的数值研究

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大气压介质阻挡放电产生的等离子体具有较好的均匀性,具有等离子体密度、温度以及能量适中等优势,被广泛应用于材料表面处理、环境保护、等离子体刻蚀臭氧合成等领域。在特定的条件下,大气压介质阻挡放电可以有不同的放电模式。针对于此,本文对大气压介质阻挡均匀放电的放电模式进行研究。基于一维流体模型,研究了氮气含量对大气压氦气放电模式的影响。当氮气含量从0.1 ppm增加到10000 ppm时,放电依次呈现出三种放电模式:多脉冲汤森放电、单脉冲汤森放电和多脉冲辉光放电。研究发现在不同氮气含量下,放电特性不同。当氮气含量低于1ppm时,体系内的主要离子为He2+,击穿电压和放电电流在氮气增加时保持不变,但是放电脉冲个数减少。随着氮气含量的增加,击穿电压保持不变,放电电流减小,放电脉冲个数减小至1个,此时主要离子是He2+,但是氮离子(N2+和N4+)浓度逐渐增加。当氮气含量超过350ppm时,体系内的主要粒子转变为N4+,放电从汤森模式过渡到辉光模式,击穿电压急剧下降,电流密度增加,脉冲个数增加。通过构建一维流体模型研究了调制电压对大气压氦气放电的对称性影响。研究发现,增大调制电压占空比,放电从对称放电转变为非对称放电。通过分析正负半周两个电流脉冲击穿时刻的体平均电子密度、离子密度、空间电荷密度以及电场强度,发现击穿时刻的电子增益变化是造成非对称放电的主要原因。当调制电压占空比小于40%时,击穿时刻的空间电荷密度相同,电场的空间分布相同,使击穿时刻的电子增益相同,放电为对称放电;继续增加占空比,电子增益首先出现变化;当占空比增加至43.47%时,放电电流密度、击穿时刻的体平均电子密度、离子密度、空间电荷密度以及电场强度出现变化。由于空间电荷的记忆效应,同一周期内两次放电击穿时刻的空间电荷密度不同,电场的空间分布不同,使击穿时刻的电子增益不同,放电为非对称放电。大气压氦气介质阻挡放电的模式转变的研究,有利于获得更均匀的等离子体,对等离子体的应用具有重要意义。
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