脈沖參數對大氣壓亞微秒脈沖輝光放電的影響

孫晨昊， 李 慎， 宋書通， 郭 穎， 張 菁， 石建軍

(東華大學 理學院， 上海 201620)

脈沖參數對大氣壓亞微秒脈沖輝光放電的影響

孫晨昊， 李 慎， 宋書通， 郭 穎， 張 菁， 石建軍

(東華大學 理學院， 上海 201620)

通過大氣壓氦氣亞微秒脈沖輝光放電的一維自洽流體數值模型，研究了亞微秒脈沖電壓的脈寬和幅值對放電特性的影響.當放電脈沖電流密度幅值維持在約2 000 A/m2時，隨著脈沖電壓脈寬從300 ns增加到900 ns，放電電流密度脈沖的脈寬相應增加，脈沖電壓幅值從652.2 V降低到557.5 V.在電極表面引入介質層以后，每個脈沖電壓會產生兩個放電電流密度峰，其中，第一個放電電流密度峰不隨脈沖電壓脈寬變化，第二個放電電流密度峰的強度有一定的增長，而且其發生時刻對應于脈沖電壓的下降沿時刻.在介質阻擋脈沖輝光放電中，隨著脈沖電壓幅值從2 000 V增加到3 500 V時，兩個放電電流密度峰的幅值分別從1 160.6 A/m2增加到2 697.9 A/m2和從963.4 A/m2增加到1 954.5 A/m2，而且放電電流密度峰發生時刻也向脈沖電壓上升沿和下降沿開始處移動.該數值模擬研究有助于深入了解大氣壓脈沖輝光放電的特性和機理.

脈沖輝光放電； 數值模擬； 大氣壓輝光放電

由于大氣壓輝光放電產生的低溫等離子體不需要真空系統及其在材料表面改性處理、薄膜沉積和環境凈化處理等方面的應用前景[1-3]，其放電技術和產生等離子體的特性是近年來低溫等離子體研究的熱點之一.為了在大氣壓下獲得穩定的輝光放電，激勵源主要采用千赫茲下的正弦[4]以及脈沖電壓[5-7]和兆赫茲下的射頻正弦電壓[3，8]，另外，電極表面引入介質阻擋層和脈沖調制射頻功率也可以提高放電的穩定性[9-10].研究發現，較正弦電壓激發的放電，亞微秒脈沖輝光放電在能量利用效率和放電穩定性控制及其產生等離子體的化學活性方面都表現出更好的特性[11].在千赫茲激發頻率下，亞微秒脈沖放電不需要介質阻擋就可以獲得高強度穩定輝光放電[5， 7]；而介質阻擋亞微秒脈沖放電在空氣中實現了大氣壓輝光放電[12]，體現出更好的放電穩定性，而且每個脈沖電壓都產生了兩次放電[6-7， 13].大氣壓脈沖輝光放電產生的等離子體的氣體溫度較低，在溫度敏感材料表面處理方面具有更好的應用優勢.試驗研究發現，脈沖電壓特性對大氣壓脈沖輝光放電特性和機理都有較大的影響[14].本文利用一維自洽流體數值模型研究大氣壓脈沖輝光放電特性隨脈沖電壓的脈寬和幅值的變化，尤其是對放電電流密度的影響.

1 數值模型

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：下標i、 e和He分別表示為第i種粒子、電子和氦原子；n、和S分別為粒子的密度、通量和凈產生率；μ和D為離子或電子的遷移率和擴散系數；E和ε分別為電場強度和平均電子能量；ΔEj和Kj分別為第j反應中的能量損失和反應系數；Kel為電子和氦原子反應中的動量轉移系數；me和mHe分別為電子和氦原子的質量；kb、Te和THe分別為玻爾茲曼常數、電子溫度和氦氣溫度；q和ε0分別為電子電量和真空介電常數.t為時間變量，氣體電壓Vg由外加電壓Va減去電阻和介質上的電壓獲得，即

Vg(t)=Va(t)-Vm(t)-Vr(t)

(5)

式中：Vm為兩個介質層上的電壓降總和；Vr為在電阻上的電壓降.

2 結果與討論

2.1 不同脈沖電壓下無介質阻擋放電的電流和電壓特性

大氣壓無介質阻擋脈沖輝光放電在4個不同脈沖電壓脈寬(300， 500， 700和900 ns)時的放電電壓和電流密度波形如圖1所示，其中，脈寬為脈沖電壓的半高寬，脈沖電壓的上升沿和下降沿時間均為100 ns.

(a) 電壓波形

(b) 電流密度波形 圖1 不同脈沖電壓脈寬時大氣壓無介質阻擋放電的電壓和電流密度波形Fig.1 Voltage and current density waveforms of atmospheric pulsed discharge with different duration of voltage pulses

由圖1可以看出，對應于4個脈沖電壓，都會產生一次放電電流密度峰，并且發生在脈沖電壓的下降沿開始處，分別為400， 600， 800和1 000 ns，電流密度峰的幅值分別為2 055.1， 2 056.8， 2 095.5 和2 011.4 A/m2.由圖1(a)可知，當維持放電電流密度峰幅值在2 000 A/m2附近時，脈沖電壓幅值隨著脈寬的增加逐步降低.這是由于在無介質阻擋脈沖輝光放電中，當脈沖電壓加在電極上以后，放電電流密度隨時間逐步增大，由于沒有介質阻擋，放電電流密度一直會增大到脈沖電壓的下降沿開始處，并且隨著脈沖電壓的下降沿降低，形成放電電流密度峰.因此隨著脈沖電壓的脈寬增加，放電電流密度增大的時間更長，在達到相同的電流密度幅值的情況下，所需的脈沖電壓幅值會降低.這與文獻[14]的試驗結果一致，在維持放電電流峰值一致的情況下，脈沖電壓幅值會隨著脈寬的增加而降低.在試驗研究中，放電電流峰只是發生在脈沖電壓的下降沿處，與數值模擬結果中的電流密度在脈沖電壓階段就開始上升不同.這是由于數值模擬研究是在氦氣中開展的，而在放電試驗腔體中會有殘留空氣和水氣，這些殘留氣體會在放電空間形成亞穩態粒子從而加強電離過程[13-14]，所以放電電流峰上升沿時間更短，而且所需的脈沖電壓幅值更高.另外需要說明的是，在脈沖電壓開啟時刻形成的電流密度波包，如圖1(b)所示，其峰值為267.7 A/m2，發生時刻為123 ns，與試驗測量結果一致，該電流密度波包是由于位移電流密度導致的[7，14].

2.2 介質阻擋放電的電流和電壓特性

當在電極表面引入介質阻擋后，大氣壓脈沖輝光放電的電壓和電流密度波形如圖2所示，其中脈沖電壓的脈寬為300 ns.

圖2 大氣介質阻擋脈沖放電的電壓和放電電流密度波形Fig.2 The waveforms of voltages and discharge current density in atmospheric dielectric barrier pulsed discharge

引入介質阻擋后，所需的脈沖電壓幅值更高，另外由于放電中產生的電荷在介質層表面的累積效應，氣體電壓也不再是外加的脈沖波形，而是在外加脈沖電壓的上升沿和下降沿處分別形成兩個氣體電壓脈沖，與大氣壓介質阻擋輝光放電機制類似[4， 13].由圖2可知，當外加脈沖電壓幅值為2 000 V時，兩個氣體電壓脈沖的發生時刻和幅值分別為186 ns和956.6 V， 493 ns和757.3 V.因此對應于一個脈沖電壓，形成了兩個放電電流密度峰，其發生時刻和幅值分別為200 ns和1 158.3 A/m2， 500 ns和918.9 A/m2，放電電流密度峰發生的時刻會滯后氣體電壓峰的時刻.其中第一個放電對應的氣體電壓和放電電流密度幅值都比第二個放電高.這是由于兩個放電電流密度峰之間的時間間隔為300 ns，第一個放電中產生的電子、離子和激發態粒子在第二次放電發生時還沒有完全湮滅，這些活性粒子將輔助第二次放電的產生，其所需的脈沖電壓幅值和放電電流密度都較第一次放電低，這也與文獻[7]試驗中兩次放電的納秒級放電圖像對應.另外在放電電流密度峰之前形成的小電流密度峰也是由位移電流密度導致的，其峰值分別為339.5 A/m2和439.9 A/m2.通過比較圖2中的氣體電壓和放電電流密度峰幅值與圖1中的脈沖電壓和放電電流密度峰的幅值可以看出，引入介質阻擋后，在氣體電壓更高的情況下獲得的放電電流密度反而降低.這是因為圖2中的外加脈沖電壓在介質層表面空間電荷形成的存儲電壓的作用下，兩個氣體電壓峰的脈寬遠低于外加脈沖電壓的脈寬.

2.3 不同脈沖電壓下介質阻擋放電的電流和電壓特性

大氣壓介質阻擋脈沖輝光放電在4個不同脈沖電壓脈寬(300， 500， 700和900 ns)時的放電電壓和電流密度波形如圖3所示，其中脈沖電壓幅值恒定為2 000 V.如圖3(a)所示，脈沖電壓波形的上升沿和下降沿都為100 ns，半高寬分別為300， 500， 700和900 ns.產生的放電電流密度波形如圖3(b)所示，其中第一次放電對應的電流密度波形是一樣的，都發生在200 ns處，幅值為1 158.3 A/m2，這與圖2中第一次放電的發生時刻和幅值保持一致，因為脈沖電壓在第一次放電階段也是一致的.由于第二次放電發生在脈沖電壓的下降沿處，對應于不同的脈沖電壓脈寬，第二次放電電流密度峰發生的時刻也不同，分別為500， 700， 900和1 100 ns處，對應的幅值分別為918.9， 963.4， 992.1和1 010.8 A/m2.第二次放電電流密度幅值隨著脈沖電壓脈寬增加也有一定的增大.這是由于第二次放電的產生會受到第一次放電中產生的活性粒子的影響，特別是在電場反向的情況下，氣體電壓由第一次放電的正值轉變到第二次放電的負值(如圖2所示)，在介質層表面積累的殘余電子將作為種子電子輔助第二次放電的產生，因此，隨著脈沖電壓脈寬的增加，在介質層表面積累的電子也會增加，增強了對第二次放電的輔助效果[10， 12]，這也解釋了第二次放電電流密度峰值幅值增加的原因.另外需要指出的是，隨著脈沖電壓脈寬增加到其中的殘余電子密度開始下降時，第二次放電電流密度幅值也會開始下降，這在試驗中已經得到了驗證[7].

(a) 電壓波形

(b) 電流密度波形 圖3 不同脈沖電壓脈寬時大氣介質阻擋脈沖放電中電壓和電流密度波形Fig.3 The waveforms of voltage and discharge current density in atmospheric dielectric barrier pulsed discharge with different duration of voltage pulse

大氣介質阻擋脈沖輝光放電在4個不同脈沖電壓幅值(2 000， 2 500， 3 000和3 500 V)時的放電電壓和電流密度波形如圖4所示，其中脈沖電壓脈寬為500 ns.如圖4(a)中所示，脈沖電壓波形的上升沿和下降沿都為100 ns，脈沖電壓幅值分別為2 000， 2 500， 3 000和3 500 V，產生的放電電流密度波形如圖4(b)所示，第一次和第二次放電電流密度峰的發生時刻和幅值都隨脈沖電壓的幅值發生變化.在4個不同脈沖電壓幅值下，第一次放電電流密度發生時刻分別為200， 194， 181和166 ns，幅值分別為1 160.6， 1 730.8， 2 052.9和2 697.9 A/m2；第二次放電電流密度發生時刻分別為700， 695， 683和666 ns，幅值分別為963.4， 1 308.4， 1 521.2和1 954.5 A/m2.隨著脈沖電壓幅值的增加，兩次放電都體現出，放電發生的時刻向脈沖電壓上升沿和下降沿開始處移動，放電電流密度幅值都逐步增加.隨著脈沖電壓幅值的增加，氣體電壓也會相應增加，因此會提高放電電流密度幅值.由于脈沖電壓的上升沿和下降沿發生的時間保持不變，脈沖電壓幅值的增加也會提高電壓在上升沿和下降沿階段的時間變化率(如圖4(a)所示)，由于位移電流導致的電流密度峰幅值也隨脈沖電壓幅值的增加而提高(如圖4(b)所示).隨著脈沖電壓的上升，氣體電壓在更短的時間內達到氣體擊穿電壓(如圖2所示)，形成放電脈沖，這也與文獻[14]的試驗研究結果一致.

(a) 電壓波形

(b) 電流密度波形 圖4 不同脈沖電壓幅值時大氣介質阻擋脈沖放電中電壓和電流密度波形Fig.4 The waveforms of voltage and discharge current density in atmospheric dielectric barrier pulsed discharge with different amplitude of voltage pulse

4 結 語

本文采用大氣壓氦氣中亞微秒脈沖輝光放電的一維自洽流體模型，數值模擬研究了脈沖電壓參數對放電特性的影響.研究發現，在沒有介質阻擋的情況下，放電脈沖只是發生在脈沖電壓的下降沿處，脈沖電壓脈寬和幅值共同決定脈沖放電電流密度的上升沿和幅值.在介質阻擋脈沖輝光放電中，由于介質層的引入，氣體電壓表現為兩個分別處于脈沖電壓上升沿和下降沿處的氣體電壓脈沖，并由此導致兩個放電電流密度峰，其中第二個放電的發生受到第一個放電中產生的等離子體活性粒子的影響，其作用隨著脈沖電壓脈寬變化.隨著外加脈沖電壓幅值的增加，兩個放電電流密度峰幅值都相應增加，并且發生時刻都分別向脈沖電壓上升沿和下降沿開始處移動.

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DependenceofSub-microsecondPulsedAtmosphericPressureGlowDischargeonParametersofVoltagePulses

SUNChenhao，LIShen，SONGShutong，GUOYing，ZHANGJing，SHIJianjun

(College of Science， Donghua University， Shanghai 201620， China)

The dependence of sub-microsecond pulsed atmospheric pressure glow discharge on pulse duration and amplitude of voltage pulses is investigated by a one-dimensional self-consistent fluid model in atmospheric helium. With increasing of the duration of voltage pulse and fixed amplitude of discharge current density about 2 000 A/m2， the duration of discharge current density grows and the amplitude of pulse voltage reduces from 652.2 V to 557.5 V. There are two peaks of discharge current density with introducing the dielectric barrier above the electrode surfaces during one voltage pulse. With elevating the duration and fixed amplitude of voltage pulse， the first peak of discharge current density retains and the amplitude of second discharge current density increases， which happens at the falling phase of voltage pulse. In the dielectric barrier pulsed glow discharges， both amplitudes of discharge current density grow from 1 160.6 A/m2to 2 697.9 A/m2and from 963.4 A/m2to 1 954.5 A/m2， respectively， and the time instants of both current density peaks move toward the beginning of rising and falling phase of voltage pulse， when the amplitude of pulse voltage increases from 2 000 V to 3 500 V. This numerical simulation study helps the better understanding of discharge characteristics and mechanism of atmospheric pressure pulsed glow discharges.

pulsed glow discharge；numerical simulation；atmospheric pressure glow discharge

1671-0444(2017)05-0759-05

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目(11475043，11375042)

孫晨昊(1987—)，男，山東兗州人，碩士研究生，研究方向為低溫等離子體物理. E-mail：sunch23@163.com

石建軍(聯系人)，男，教授， E-mail：JShi@dhu.edu.cn

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A

(責任編輯：杜佳)