离子撞击二次电子发射过程对大气压氦气介质阻挡放电时域行为和空间均匀性的影响

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大气压低温等离子体作为一种新型的分子活化手段,能在常温常压下产生大量自由基和带电粒子等活性物质,在医学、材料改性等方面具有巨大的潜力。其中大气压介质阻挡放电(Atmospheric Dielectric Barrier Discharge,以下简称为ADBD)作为一种能在大气压下产生低温等离子体的手段,在各个领域都得到了广泛的关注与研究。二次电子发射过程作为气体放电等离子体的重要物理过程,会影响等离子体的动力学行为,并且改变等离子体自身特性(等离子体密度、等离子体均匀性等)。在大气压介质阻挡放电中,由离子撞击引起的二次电子发射是主要的二次电子产生过程,并且该过程极其复杂,它不仅随着放电发展而动态变化还会受电介质表面电荷积聚等因素影响。目前在仿真研究中,大多数将二次电子发射系数简化为常数处理以减少计算量。针对电介质表面有电荷积聚的情况,之前的学者只是使用简单的能带结构参数模拟电介质表面有电荷积聚的情况进而计算此时的二次电子发射系数。针对该现状,本文结合密度泛函理论(Density functional theory,以下简称DFT)和俄歇中和理论提出一种更准确的二次电子发射系数计算方法,并且通过在金属表面设置电子调节表面电位以模拟介质表面的电荷积聚从而精确地计算在含有氮气杂质的氦气背景下氧化镁(MgO)介质表面有电荷积聚时的二次电子发射系数。进一步地,构造二次电子发射系数与表面电荷量的函数关系式,将该函数代入一维、二维流体模型中观察其对ADBD时空特性的影响。本文主要内容如下:(1)将计算得到的氧化镁(MgO)二次电子非定系数代入到背景气体为含有氮气杂质的氦气一维流体模型中观察其时域现象,并且进一步分析二次电子发射非定系数对大气压介质阻挡放电时域行为的影响机理。在此基础上,与传统的将二次电子发射系数设为定常数的大气压介质阻挡放电模型进行对比,对两者电流波形(幅值、相位)的区别进行机理分析和公式推导。(2)基于一维流体模型研究不同外施参数(氮气杂质含量、外施电压幅值、外施频率等)下,对比二次电子发射系数考虑表面电荷积聚影响的ADBD模型和二次电子发射系数不考虑表面电荷积聚影响的ADBD模型在放电模式(多脉冲放电、单脉冲放电)上的区别,并对仿真结果的差异进行机理分析以揭示其演化机制。(3)将计算得到的MgO二次电子非定系数代入到背景气体为含有氮气杂质的氦气二维流体模型中观察其放电空间均匀性。进一步分析此时的暂态时空演化过程,得到阴极二次电子发射对ADBD放电模式转换的影响机制以及其中的演化机理。本文基于密度泛函理论提出了一种精确的考虑了表面电荷积聚作用的二次电子发射系数计算方法,将其代入到一维、二维流体模型中观察放电时空特性的演化并分析其背后的物理机制,为进一步研究对介质表面物理过程敏感的等离子体动力学奠定了理论基础。
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