【摘要】：近年來,大氣壓等離子體射流作為一種新型的非熱平衡等離子體放電技術(shù)受到了人們廣泛的關(guān)注,是目前低溫等離子體物理研究與實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的低溫等離子體放電相比,大氣壓等離子體射流中放電產(chǎn)生的自由基、帶電粒子、紫外線、處于激發(fā)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的粒子等能夠在氣流場和電場的共同作用下被傳送到相對遠(yuǎn)距離的區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)了放電區(qū)域和處理區(qū)域的相互分離,既保證了放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又滿足了高化學(xué)活性粒子的需要。同時(shí),放電產(chǎn)生的等離子體無電擊感和灼熱感,能夠與生物體相接觸,促使了大氣壓等離子體射流不但在傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域上,也在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用前景。目前,雖然國際上針對大氣壓等離子體射流開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)診斷和數(shù)值模擬工作,然而對于某些放電行為以及其潛在的物理機(jī)制,人們還不是很清楚,亟需進(jìn)一步研究。本論文采用了二維軸對稱流體模型,針對大氣壓氦氣等離子體射流展開了以下模擬工作：深入理解等離子體射流和材料表面相互作用的物理機(jī)理,對于更好地控制處理過程是十分必要的。本論文第三章基于二維軸對稱等離子體流體模型,數(shù)值模擬了針-板電極結(jié)構(gòu)下大氣壓等離子體射流與不同介電特性陰極電極的相互作用,分析了陰極電極附近區(qū)域放電的演化過程。結(jié)果表明：當(dāng)?shù)入x子體射流傳播到陰極鞘層邊界時(shí),等離子體子彈的軸向傳播速度會(huì)迅速下降。之后放電演化強(qiáng)烈地依賴陰極材料的介電特性,當(dāng)?shù)入x子體射流作用于導(dǎo)體材料表面時(shí),等離子體放電會(huì)被約束在導(dǎo)體表面中心處的圓形區(qū)域內(nèi),然而當(dāng)?shù)入x子體射流與絕緣材料接觸時(shí),等離子體射流會(huì)沿著介質(zhì)材料表面?zhèn)鞑�。二次電子發(fā)射過程以及介質(zhì)層表面積累電荷效應(yīng)對放電演化有著重要的影響,鞘層厚度隨著二次電子發(fā)射系數(shù)增加而減小,而介質(zhì)層表面的離子流密度則隨著介電常數(shù)的增加而增大。作為大型化等離子體射流陣列中一個(gè)不可避免的問題,等離子體射流之間相互作用備受關(guān)注,它直接關(guān)系著放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和均勻性。本論文第四章中采用二維軸對稱等離子體流體模型,數(shù)值模擬了(一個(gè)空氣環(huán)境中氦氣通道內(nèi)的)兩個(gè)相向傳播的大氣壓氦氣等離子體射流傳播過程,研究了驅(qū)動(dòng)電壓對等離子體射流相互作用的影響。結(jié)果表明：相向傳播的等離子體射流之間相互作用會(huì)抑制等離子體子彈傳播,而驅(qū)動(dòng)電壓差則是影響著兩個(gè)射流之間相互作用的物理量之一。當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓相同時(shí),兩個(gè)等離子體放電是完全相同的,并且最終兩個(gè)等離子體射流不能融合,它們之間的最小間距隨著驅(qū)動(dòng)電壓和初始電子密度的增加而減小,隨著介質(zhì)管介電常數(shù)的增加而增大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓不同時(shí),低電壓驅(qū)動(dòng)的等離子體射流會(huì)先停止傳播,最終兩個(gè)等離子體射流會(huì)融合,發(fā)生相互融合的位置則強(qiáng)烈地取決于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源之間的電壓差。優(yōu)化等離子體源,獲得長度更長,等離子體密度更高,放電更穩(wěn)定的射流源,一直都是等離子體射流研究中的一個(gè)重要方向。本論文第五章采用了二維軸對稱流體模型,數(shù)值模擬了針-環(huán)雙電極驅(qū)動(dòng)大氣壓氦氣等離子體射流,通過和單環(huán)電極驅(qū)動(dòng)得到的等離子體射流對比,突出了雙電極驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢,并分析了針電極在放電中所起的作用。結(jié)果表明：針電極在放電中起著重要的作用,由于針電極存在,使得放電生成的等離子體射流傳播速度更快,電子密度更高,徑向尺寸更大。同時(shí)還研究了針電極參數(shù)對放電的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),相對針尖半徑而言,針-環(huán)電極間的距離對放電的影響比較大,隨著距離的減小,針電極對放電的增強(qiáng)效應(yīng)更加明顯,等離子體射流長度,密度以及放電徑向尺寸都隨之增大。在論文第六章,采用二維軸對稱流體模型模擬研究了大氣壓氧氣環(huán)境中傳播的氦氣等離子體射流,深入研究了等離子體射流從激發(fā)到傳播以及最后與基板相互作用整個(gè)物理過程。放電首先在介質(zhì)管內(nèi)激發(fā)并沿著介質(zhì)管內(nèi)壁傳播,然后離開介質(zhì)管在周圍氧氣中形成一個(gè)電離波(流注,即實(shí)驗(yàn)上觀測到的等離子體子彈)。在這個(gè)過程中流注從環(huán)形的中空結(jié)構(gòu)演化成最大值在中心軸處的實(shí)心結(jié)構(gòu)。流注在放電間隙內(nèi)的平均傳播速度為3×l05m/s。當(dāng)放電遇到導(dǎo)體基板后,放電被約束在半徑為1mm的圓內(nèi),放電強(qiáng)度逐漸減弱。放電遇到絕緣基板后,放電會(huì)沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?放電強(qiáng)度隨著徑向傳播距離的增加而減弱。對于導(dǎo)體基板,基板表面粒子通量的最大值位于中心軸,而在介質(zhì)基板表面,粒子通量分布呈環(huán)形結(jié)構(gòu)。等離子體和表面相互作用的面積會(huì)隨著介質(zhì)管出口和基板間距離,或者是絕緣基板介電系數(shù)的減小而增大。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O53;O358

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本文編號(hào)：2350560