本文關(guān)鍵詞：大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電模式及活性氧粒子演化機制的數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：大氣壓低溫等離子體在納米制造、生物醫(yī)學、環(huán)境保護等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。介質(zhì)阻擋放電被認為是產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體的有效途徑,尤其是隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展,以重復脈沖電源為激勵的大氣壓介質(zhì)阻擋放電因為具有獨特的優(yōu)越性而備受關(guān)注。實際應用中,大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電模式的轉(zhuǎn)化對于產(chǎn)生大面積均勻等離子體具有重要意義,但相關(guān)的研究不多。另外,在大氣壓介質(zhì)阻擋放電中,工作氣體中加入少量的氧氣,所產(chǎn)生的等離子體中將含有大量的活性氧粒子,這些粒子在殺菌、消毒、傷口愈合以及癌癥治療中起著重要的作用,其相關(guān)機理已成為等離子體在生物醫(yī)學領(lǐng)域應用中的研究熱點。然而,由于受診斷手段的限制,在大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電這一復雜的非線性系統(tǒng)中,活性氧粒子的產(chǎn)生和消耗機理并不清楚,存在許多尚待研究的基本問題,而數(shù)值模擬將是進行這些研究的重要手段。本文采用一維流體力學模型,對大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電的模式轉(zhuǎn)化,對氦氧混合氣體脈沖介質(zhì)阻擋放電的電特性、活性氧粒子演化的放電參數(shù)效應及機制進行了系統(tǒng)的模擬研究。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下：1、對大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電的輝光放電和湯生放電兩種模式進行了模擬研究。模擬計算了兩種放電模式的放電電壓、電流隨時間的變化以及放電電流密度峰值時刻電子密度、離子密度和放電間隙電場的空間分布,分析了這些分布在兩種放電模式下的特征,計算研究了外加脈沖電壓參數(shù)和放電結(jié)構(gòu)參數(shù)對兩種放電模式的影響,得到如下結(jié)果：輝光放電模式的放電電流密度比湯生放電的顯著的大；放電電流密度峰值時刻,在瞬時陰極附近,空間電場發(fā)生畸變且電子密度和離子密度分別具有一個明顯的峰,形成了陰極位降區(qū),靠近瞬時陽極的較大區(qū)域電子密度和離子密度近似相等,形成等離子體區(qū)；對于湯生放電,瞬時陰極附近并未形成陰極位降區(qū),整個放電間隙內(nèi)離子密度和電子密度均較小,但離子密度比電子密度明顯的大；隨著電壓上升率的增加,放電模式可以由湯生放電轉(zhuǎn)化為輝光放電；而一定參數(shù)條件下,較大間隙的放電更容易得到輝光放電；介質(zhì)板電容增大(介質(zhì)板厚度減小或介電常數(shù)增加)導致介質(zhì)板電壓降低而放電間隙電壓升高,能夠引起放電模式由湯生放電向輝光放電轉(zhuǎn)化；放電模式的轉(zhuǎn)化是一個多參數(shù)作用的綜合效應。本文給出了在其他放電參數(shù)一定時,由外加電壓上升率、放電間隙寬度和介質(zhì)板厚度構(gòu)成的參數(shù)集對于不同放電模式的分布區(qū)域,這對于研究放電模式的參數(shù)調(diào)控具有重要意義。2、模擬研究了大氣壓氦氧脈沖介質(zhì)阻擋放電的電特性和活性氧粒子的產(chǎn)生以及相應的氧濃度效應。計算分析了放電電流和電壓的特性,以及放電電流密度峰值時刻,帶電粒子和活性氧粒子的空間分布特征。研究了大氣壓氦氧脈沖介質(zhì)阻擋放電特征量的氧濃度效應。描述放電特性的特征量包括放電電流密度,空間電場,平均耗散功率密度,平均電子密度和平均電子溫度。研究分析了主要活性氧粒子的演化機制以及這些粒子平均密度的氧濃度效應。取得了如下的結(jié)果：放電電流峰值時刻,放電間隙中帶電粒子He2+和O2-的密度較其他粒子顯著的大,二者幾乎相等,并在放電間隙中央位置達到最大。放電電流峰值時刻的電場以及所有離子的空間分布表明,放電模式為輝光放電�；钚匝趿Ｗ又�,基態(tài)氧原子密度最大；氧濃度增大,使放電電流密度峰值減小,且達到峰值的時刻發(fā)生滯后位移,引起平均電子密度呈指數(shù)減小,并導致電子溫度降低；基態(tài)氧原子和激發(fā)態(tài)氧分子的平均密度先增大后減小,臭氧的平均密度增大,而激發(fā)態(tài)氧原子的平均密度減小；在給定的參數(shù)條件下,使活性氧粒子密度最大的氧濃度最優(yōu)值約為0.5%。3、研究了外加脈沖電壓參數(shù)對大氣壓氦氧脈沖介質(zhì)阻擋放電特性、活性氧粒子平均密度以及氧濃度最優(yōu)值(使活性氧粒子密度最大)的影響,得到如下結(jié)果：脈沖電壓上升時間增大,使放電變?nèi)?平均電子溫度和電子密度均減小,電流密度峰值時刻陰極位降區(qū)電場幅值減小,但位降區(qū)寬度幾乎不變,平均耗散功率密度降低,四種主要活性氧粒子O、SDO、O3和O(1D)的平均密度下降,氧濃度的最優(yōu)值減小;脈沖電壓幅值增大,使放電增強,平均電子溫度和平均電子密度增加,陰極位降區(qū)電場幅值增加,位降區(qū)變窄,平均耗散功率密度和活性氧粒子的平均密度增加,氧濃度的最優(yōu)值變大；不同氧濃度下,脈沖電壓頻率增大,使第一次放電減弱,第二次放電在約5kHz以下頻率增強,之后隨頻率減弱,對電子密度和電場的影響均很小,但電子溫度降低,活性氧粒子的平均密度均減小。此外,氧濃度最優(yōu)值隨電壓頻率發(fā)生變化。4、研究了放電結(jié)構(gòu)參數(shù)對大氣壓氦氧脈沖介質(zhì)阻擋放電特性、活性氧粒子平均密度以及氧濃度最優(yōu)值的影響,得到如下結(jié)果：介質(zhì)板厚度增大,使放電變?nèi)?平均電子溫度和平均電子密度均減小,電流密度峰值時刻陰極位降區(qū)電場幅值減小、位降區(qū)變寬,平均耗散功率密度減小,活性氧粒子O、SDO、O3和O(1D)的平均密度降低,但對氧濃度最優(yōu)值的影響不大,基本上保持在0.5%；相對介電常數(shù)增大,使放電增強,平均電子溫度升高,平均電子密度增大,陰極位降區(qū)電場幅值增加、位降區(qū)變窄,平均耗散功率密度和活性氧粒子的平均密度增加,氧濃度的最優(yōu)值基本上保持在0.5%；放電間隙寬度增大,放電電流密度峰值以及平均電子溫度和平均電子密度均呈先增大后減小的規(guī)律,平均耗散功率密度減小,活性氧粒子的平均密度在不同氧濃度下均減小,氧濃度最優(yōu)值減小。
【關(guān)鍵詞】：低溫等離子體 脈沖介質(zhì)阻擋放電 放電模式 活性氧粒子 氧濃度 放電參數(shù) 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O461
【目錄】：

• 中文摘要11-14
• ABSTRACT14-19
• 第一章 緒論19-33
• 1.1 大氣壓低溫等離子體及其應用19-21
• 1.2 氣體放電模式21-25
• 1.2.1 湯生放電21-22
• 1.2.2 輝光放電22-23
• 1.2.3 細絲放電23
• 1.2.4 弧光放電23-24
• 1.2.5 大氣壓氣體放電模式的轉(zhuǎn)換24-25
• 1.3 低溫等離子體中的活性成分及其作用25-27
• 1.4 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電的研究現(xiàn)狀27-30
• 1.4.1 大氣壓介質(zhì)阻擋放電27-28
• 1.4.2 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電28-30
• 1.5 放電仿真模型概述30-31
• 1.5.1 流體模型30-31
• 1.5.2 其他模型簡介31
• 1.6 論文主要內(nèi)容安排31-33
• 第二章 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電模式研究33-53
• 2.1 放電模型描述33-38
• 2.1.1 放電結(jié)構(gòu)模型33-34
• 2.1.2 放電理論模型34-37
• 2.1.3 數(shù)值計算方法37-38
• 2.2 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電兩種模式38-43
• 2.2.1 模型驗證39-40
• 2.2.2 兩種放電模式的特性40-43
• 2.3 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電模式的參數(shù)效應43-49
• 2.3.1 改變電壓上升率44-45
• 2.3.2 改變放電間隙寬度45-47
• 2.3.3 改變介質(zhì)板電容參數(shù)47-49
• 2.4 放電運行參數(shù)綜合效應49-51
• 2.5 本章小結(jié)51-53
• 第三章 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電特性和氧濃度效應53-72
• 3.1 大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電特性53-59
• 3.1.1 計算模型54-56
• 3.1.2 模型驗證56-57
• 3.1.3 帶電粒子和電場的空間分布特征57-58
• 3.1.4 活性氧粒子(ROS)的空間分布58-59
• 3.2 放電特性的氧濃度效應59-63
• 3.2.1 電流密度和電場59-61
• 3.2.2 平均電子密度和平均電子溫度61-62
• 3.2.3 平均耗散功率密度62-63
• 3.3 活性氧粒子的演化機制和最優(yōu)值63-70
• 3.3.1 激發(fā)態(tài)氧原子的演化63-65
• 3.3.2 基態(tài)氧原子的演化65-67
• 3.3.3 臭氧的演化67-68
• 3.3.4 激發(fā)態(tài)氧分子的演化68-69
• 3.3.5 活性氧粒子的最優(yōu)值69-70
• 3.4 本章小結(jié)70-72
• 第四章 放電特性和活性氧粒子的脈沖電壓參數(shù)效應72-92
• 4.1 外加脈沖電壓上升時間對放電特性和活性氧粒子密度的影響72-79
• 4.1.1 外加脈沖電壓上升時間對放電特性的影響72-75
• 4.1.2 外加脈沖電壓上升時間對平均耗散功率密度和活性氧粒子密度的影響75-77
• 4.1.3 外加脈沖電壓上升時間對氧濃度最優(yōu)值的影響77-79
• 4.2 外加脈沖電壓幅值對放電特性和活性氧粒子密度的影響79-85
• 4.2.1 外加脈沖電壓幅值對放電特性的影響79-81
• 4.2.2 外加脈沖電壓幅值對平均耗散功率密度和活性氧粒子密度的影響81-83
• 4.2.3 外加脈沖電壓幅值對氧濃度最優(yōu)值的影響83-85
• 4.3 外加脈沖電壓頻率對放電特性和活性氧粒子密度的影響85-90
• 4.3.1 外加脈沖電壓頻率對放電特性的影響85-88
• 4.3.2 外加脈沖電壓頻率對平均耗散功率密度和活性氧粒子密度的影響88-89
• 4.3.3 外加脈沖電壓頻率對氧濃度最優(yōu)值的影響89-90
• 4.4 本章小結(jié)90-92
• 第五章 放電特性和活性氧粒子的放電結(jié)構(gòu)參數(shù)效應92-108
• 5.1 介質(zhì)板厚度對放電特性和活性氧粒子密度的影響92-97
• 5.1.1 介質(zhì)板厚度對放電特性的影響92-94
• 5.1.2 介質(zhì)板厚度對平均耗散功率密度和活性氧粒子密度的影響94-96
• 5.1.3 介質(zhì)板厚度對氧濃度最優(yōu)值的影響96-97
• 5.2 相對介電常數(shù)對放電特性和活性氧粒子密度的影響97-102
• 5.2.1 相對介電常數(shù)對放電特性的影響97-99
• 5.2.2 相對介電常數(shù)對平均耗散功率密度和活性氧粒子密度的影響99-100
• 5.2.3 相對介電常數(shù)對氧濃度最優(yōu)值的影響100-102
• 5.3 放電間隙寬度對放電特性和活性氧粒子密度的影響102-107
• 5.3.1 放電間隙寬度對放電特性的影響102-104
• 5.3.2 放電間隙寬度對平均耗散功率密度和活性氧粒子密度的影響104-105
• 5.3.3 放電間隙寬度對氧濃度最優(yōu)值的影響105-107
• 5.4 本章小結(jié)107-108
• 第六章 結(jié)論與展望108-111
• 6.1 主要成果和結(jié)論108-110
• 6.2 工作展望110-111
• 參考文獻111-127
• 致謝127-128
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文和參加的科研工作128-129
• 英文譯文129-137
• 附件137

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 余增亮，邵春林，，楊劍波;離子刻蝕生物樣品的初步研究[J];安徽農(nóng)業(yè)大學學報;1994年03期

2 龍凱華;邵濤;嚴萍;金其龍;;高壓納秒脈沖下介質(zhì)阻擋放電的仿真研究[J];高電壓技術(shù);2008年06期

3 宋道軍,余汛,余增亮;低能離子束對微生物細胞的直接作用和間接作用研究[J];高技術(shù)通訊;1999年01期

4 袁忠才;時家明;黃勇;馬柳;;低溫等離子體數(shù)值模擬方法的分析比較[J];核聚變與等離子體物理;2008年03期

5 熊紫蘭;盧新培;曹穎光;;等離子體醫(yī)學[J];中國科學:技術(shù)科學;2011年10期

  本文關(guān)鍵詞：大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電模式及活性氧粒子演化機制的數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：281647