介質(zhì)阻擋穩態(tài)絲狀放電數值模擬
本文采用流體模型對純Ne介質(zhì)阻擋放電(DBD)中的絲狀放電現象進(jìn)行了研究. 通過(guò)模擬獲得了放電過(guò)程中電流、帶電粒子等物理參數的時(shí)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(dòng)電壓條件下,初始均勻的DBD中將逐漸形成多個(gè)穩定的絲狀放電通道,而且所有通道的絲狀放電同時(shí)進(jìn)行,形成單個(gè)放電電流脈沖。同時(shí)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(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge ,DBD)是將絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電方式。通過(guò)介質(zhì)阻擋放電可以在很大的氣壓范圍內(從真空到一個(gè)大氣壓或更高) 產(chǎn)生瞬態(tài)非平衡低溫等離子體,同時(shí)獲得自由基和準分子等活性粒子。DBD作為一種非常實(shí)用而有效的低溫等離子體產(chǎn)生方式,已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中,如臭氧的產(chǎn)生、材料表面處理、半導體生產(chǎn)、環(huán)境保護等。
通常DBD間隙內的氣體放電由許多在時(shí)空上隨機分布的絲狀放電構成,這些絲狀放電的持續時(shí)間很短,一般為納秒量級。實(shí)驗發(fā)現,絲狀放電通常呈現圓柱型微通道,每一個(gè)絲狀通道就是一個(gè)放電擊穿過(guò)程。因此一些研究者將絲狀放電作為DBD的主要特性,并通過(guò)研究微放電的性質(zhì)來(lái)研究DBD的整體特性。DBD中,多個(gè)絲狀放電之間相互作用,還會(huì )形成一些穩定的結構,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(lái)DBD實(shí)驗與理論研究的重要問(wèn)題之一。而在材料表面處理、半導體生產(chǎn)中,DBD的絲狀放電影響到所產(chǎn)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(chǎn)生和控制因素,也有利于改善DBD產(chǎn)生的等離子體特性。
人們已經(jīng)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(shí)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(zhì)表面的DBD中,氬氣放電絲數目隨著(zhù)電壓的增加而增多,而無(wú)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(shí)驗中,發(fā)現隨著(zhù)電壓升高,系統先后出現放電絲個(gè)數增加及單個(gè)放電絲每半周期脈沖數增加,以此來(lái)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(jìn)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(zhù)介質(zhì)表面擴散的邊緣是下一個(gè)脈沖中絲狀放電的起點(diǎn);Brauer 等通過(guò)模擬認為,當外加電壓超過(guò)擊穿電壓,必然形成周期性的絲狀放電;張遠濤等采用簡(jiǎn)化的二維雙流體模型對大氣壓下絲狀放電的整體時(shí)空演化進(jìn)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態(tài)絲狀放電。
本文主要通過(guò)流體模型對介質(zhì)阻擋放電過(guò)程進(jìn)行數值模擬,分析了pd 值較小條件下DBD 的穩態(tài)絲狀放電過(guò)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(chǎng)近似模型(LFA) ,包括電子和離子的連續性方程,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,離子和電子的連續性方程和動(dòng)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。
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3、結論
本文采用流體模型對介質(zhì)阻擋放電過(guò)程進(jìn)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(jīng)過(guò)幾個(gè)脈沖后,將逐漸產(chǎn)生多個(gè)放電絲,而且所有的絲狀放電幾乎同時(shí)進(jìn)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定的絲狀放電。而如果升高氣壓,放電絲在演化過(guò)程中可能出現合并。有關(guān)DBD 絲狀放電的成因及影響因素,將在后繼工作中進(jìn)一步探討。
