【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受到了人們廣泛的關注,是目前低溫等離子體物理研究與實際應用領域的熱點之一。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距離的區(qū)域,從而實現(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,又滿足了高化學活性粒子的需要。同時,放電產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)應用領域上,也在生物醫(yī)學領域表現(xiàn)出獨特的應用前景。目前,雖然國際上針對大氣壓等離子體射流開展了相應的實驗診斷和數(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制,人們還不是很清楚,亟需進一步研究。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-板電極結構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。結果表明：當?shù)入x子體射流傳播到陰極鞘層邊界時,等離子體子彈的軸向傳播速度會迅速下降。之后放電演化強烈地依賴陰極材料的介電特性,當?shù)入x子體射流作用于導體材料表面時,等離子體放電會被約束在導體表面中心處的圓形區(qū)域內,然而當?shù)入x子體射流與絕緣材料接觸時,等離子體射流會沿著介質材料表面?zhèn)鞑ァ６坞娮影l(fā)射過程以及介質層表面積累電荷效應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不可避免的問題,等離子體射流之間相互作用備受關注,它直接關系著放電系統(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(一個空氣環(huán)境中氦氣通道內的)兩個相向傳播的大氣壓氦氣等離子體射流傳播過程,研究了驅動電壓對等離子體射流相互作用的影響。結果表明：相向傳播的等離子體射流之間相互作用會抑制等離子體子彈傳播,而驅動電壓差則是影響著兩個射流之間相互作用的物理量之一。當兩個驅動電壓相同時,兩個等離子體放電是完全相同的,并且最終兩個等離子體射流不能融合,它們之間的最小間距隨著驅動電壓和初始電子密度的增加而減小,隨著介質管介電常數(shù)的增加而增大。當驅動電壓不同時,低電壓驅動的等離子體射流會先停止傳播,最終兩個等離子體射流會融合,發(fā)生相互融合的位置則強烈地取決于兩個驅動電源之間的電壓差。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)雙電極驅動大氣壓氦氣等離子體射流,通過和單環(huán)電極驅動得到的等離子體射流對比,突出了雙電極驅動的優(yōu)勢,并分析了針電極在放電中所起的作用。結果表明：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。同時還研究了針電極參數(shù)對放電的影響,結果發(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效應更加明顯,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物理過程。放電首先在介質管內激發(fā)并沿著介質管內壁傳播,然后離開介質管在周圍氧氣中形成一個電離波(流注,即實驗上觀測到的等離子體子彈)。在這個過程中流注從環(huán)形的中空結構演化成最大值在中心軸處的實心結構。流注在放電間隙內的平均傳播速度為3×l05m/s。當放電遇到導體基板后,放電被約束在半徑為1mm的圓內,放電強度逐漸減弱。放電遇到絕緣基板后,放電會沿著介質表面?zhèn)鞑?放電強度隨著徑向傳播距離的增加而減弱。對于導體基板,基板表面粒子通量的最大值位于中心軸,而在介質基板表面,粒子通量分布呈環(huán)形結構。等離子體和表面相互作用的面積會隨著介質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]:......
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O53;O358

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本文編號：2350560