【摘要】：近年來(lái),由于大氣壓輝光放電產(chǎn)生的等離子體在材料表明處理、薄膜沉積、生物消毒和環(huán)境處理等方面體現(xiàn)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),大氣壓輝光放電的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前大氣壓輝光放電主要采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究大氣壓介質(zhì)阻擋輝光放電、大氣壓脈沖輝光放電和大氣壓射頻輝光放電。在實(shí)驗(yàn)研究中,除了通過(guò)放電電流電壓波形研究放電電學(xué)特性和采用等離子體發(fā)射光譜表征放電中產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)粒子,通常還通過(guò)對(duì)兩電極板間的放電側(cè)視圖進(jìn)行獲得放電的時(shí)空演變過(guò)程,討論放電的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由于在大氣壓輝光放電在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)等離子體均勻性的要求,需要了解在電極表面的放電形貌,而且其對(duì)放電的穩(wěn)定性也有重要影響。本文通過(guò)對(duì)大氣壓輝光放電在電極板表面的等離子體圖像進(jìn)行時(shí)間分辨診斷和研究,研究的放電形式包括大氣壓脈沖輝光放電、大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電、大氣壓脈沖輝光放電輔助射頻輝光放電。結(jié)合放電電流電壓波形和放電在電極板間的等離子體圖像的時(shí)空分布,系統(tǒng)研究了放電過(guò)程,特別脈沖放電對(duì)射頻輝光放電的輔助作用。研究發(fā)現(xiàn):大氣壓脈沖輝光放電中對(duì)應(yīng)于脈沖電壓上升沿階段的第一次放電會(huì)在透明玻璃電極表面形成放電環(huán),而在對(duì)應(yīng)于脈沖電壓下降沿階段的第二次放電時(shí)快速收縮到金屬電極表面;大氣壓射頻輝光放電在起輝階段首先在兩電極中間產(chǎn)生,形成鐘形空間分布,然后逐步演化為穩(wěn)定放電狀態(tài)下的雙峰形分布,另外在電極邊緣放電也得到了加強(qiáng);在大氣壓射頻輝光放電中引入脈沖放電以后,脈沖放電中的第一次放電得到了加強(qiáng),表現(xiàn)為在電極表面形成的放電圓環(huán)更強(qiáng)。在兩種放電協(xié)同放電階段,電極表面放電隨時(shí)間表現(xiàn)為脈沖放電形成的放電圓環(huán)擴(kuò)展和收縮與射頻輝光放電形成的放電圓盤強(qiáng)弱變化的共存狀態(tài)。另外研究了脈沖放電與脈沖調(diào)制射頻輝光放電的相互作用,在脈沖放電的輔助作用下,射頻輝光放電起輝過(guò)程能更快進(jìn)入穩(wěn)定放電狀態(tài),表現(xiàn)為在兩電極間射頻輝光放電起輝階段就形成了雙峰空間分布結(jié)構(gòu)。通過(guò)進(jìn)一步研究脈沖放電和射頻輝光放電在12?s、5?s和0?s情況下脈沖放電對(duì)射頻輝光放電起輝的輔助作用,發(fā)現(xiàn)射頻輝光放電圖像強(qiáng)度能更快達(dá)到穩(wěn)定值,說(shuō)明通過(guò)減短脈沖放電和射頻輝光輝光放電的時(shí)間間隔,能加強(qiáng)脈沖放電對(duì)射頻輝光放電起輝的輔助效果,這主要是由于在射頻輝光放電起輝時(shí),放電空間殘余的脈沖放電中產(chǎn)生的各種活性粒子較多,特別是對(duì)射頻輝光放電起輝起重要重要的殘余電子。通過(guò)系統(tǒng)研究大氣壓脈沖放電和射頻輝光放電在電極表面和電極間的放電過(guò)程,對(duì)大氣壓輝光放電特性和機(jī)理有了更深入的了解,特別是為獲得均勻穩(wěn)定的大氣壓輝光放電等離子體源提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù),并為大氣壓輝光放電等離子體的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O461
【圖文】：

圖 1.1 大氣壓射頻輝光放電過(guò)程中的電流電壓波形大氣壓射頻輝光放電在放電過(guò)程中，改變電壓、電極板間距等外界條件，其放電的模式會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換[19]。研究者們和工業(yè)生產(chǎn)上最受歡迎的 模式，即是在低電壓或者板極間距大等外在在條件下，等離子體放電會(huì)相對(duì)平和，整個(gè)放電空間會(huì)維持在較均勻的等離子體狀態(tài)下，獲得穩(wěn)定的等離子體，這時(shí)放電模式被稱為 模式[20]。隨著增大電壓或者縮小板極間距等條件，放電過(guò)程中的放電氣體會(huì)更容易發(fā)生擊穿，放電空間由均勻狀收縮成一個(gè)柱狀，放電變得不穩(wěn)定且目前還對(duì)這種放電模式下的柱狀位置不明，這時(shí)的放電模式被稱為 γ 模式[21γ 模式的形成是由于放電過(guò)程中電子又經(jīng)過(guò)一次電離造成的，γ 模式下的放電很不穩(wěn)定，不適合在工業(yè)中應(yīng)用，所以射頻輝光放電應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生這種放電模式轉(zhuǎn)變，放電的參數(shù)控制需要不斷改善，盡可能地能夠更好的控制射頻輝光放電從而提高其穩(wěn)定性[22]。

所以放電采用的外加電壓通常要在 1KV 以上。圖 1.2 介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)圖1.3是由一個(gè)正弦交流的外接電壓通過(guò)雙電極板放電產(chǎn)生的大氣壓介質(zhì)阻擋輝光放電，其放電的電流電壓波形可在圖中觀察到放電過(guò)程不同空間結(jié)構(gòu)下的放電電壓并不一致，在放電過(guò)程中電極板的介質(zhì)上會(huì)存在一個(gè)緩沖電壓，其作用是累積電荷，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，電極間的電勢(shì)足夠大發(fā)生擊穿，使裝置內(nèi)的氣

在大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電過(guò)程中，通過(guò)一個(gè)脈沖信號(hào)調(diào)制控制射頻同步到射頻電源上，調(diào)整脈沖信號(hào)的占空比可以改變射頻放電在一個(gè)脈沖周的放電時(shí)間，簡(jiǎn)而言之即是用脈沖信號(hào)當(dāng)作開(kāi)關(guān)來(lái)周期性的控制射頻輝光放起輝過(guò)程和湮滅過(guò)程[23]。圖 1.4 為一個(gè)典型的脈沖調(diào)制射頻輝光放電的脈沖和射頻周期內(nèi)的電流電壓波形圖，可以看到一個(gè)射頻放電段是不連續(xù)的，其一個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)控制，其中脈沖調(diào)制信號(hào)的頻率為 10KHz，占空比為 50頻放電在整個(gè)放電過(guò)程周期性的發(fā)生放電，而在每個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)的周期內(nèi)放電會(huì)經(jīng)歷一個(gè)起輝到湮滅的過(guò)程，其間在下降沿出沒(méi)有發(fā)生放電但空間仍在剩余的活性粒子，在下一個(gè)周期的放電中會(huì)幫助其起輝。放電過(guò)程中中間放電的湮滅，整個(gè)放電空間中放電的強(qiáng)度會(huì)降低，放電的等離子體也在減少以也從一定程度上改善了連續(xù)型射頻放電的不足之處，降低了功率和耗散以頻放電獲得的等離子體溫度也在相應(yīng)降低，如此反復(fù)，在宏觀上等離子體會(huì)一個(gè)平穩(wěn)的溫度狀態(tài)，同時(shí)也抑制了其在放電的過(guò)程中向 γ 模式的轉(zhuǎn)化[24]，使得放電過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的 模式，可以更好的應(yīng)用業(yè)生產(chǎn)中。

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