大气压脉冲调制射频放电中活性粒子演化特性的数值模拟研究

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自二十世纪以来,低温等离子体开始在切割、焊接、喷镀、表面改性、薄膜沉积、刻蚀等工业方面得到广泛应用,而大部分应用尤其是喷涂、表面改性、化学气相沉积等需要均匀温和处理的工业则需要大面积、均匀、稳定又不失活性的低温等离子体。为得到这种等离子体,专家学者们提出了很多方法,如覆盖介质的介质阻挡放电、使用脉冲源的脉冲放电、将放电尺寸缩小的微等离子体放电、将电源频率提高的射频容性放电等,都从各方面不同程度地提高了放电的均匀性和稳定性,使等离子体工业应用技术得到了长足的发展。与介质阻挡放电相比,大气压射频容性放电可以产生更多的电子密度和更高的电子温度,而且其对真空设备的摆脱使其比低气压辉光放电得到更广泛的应用。为优化大气压射频容性放电以得到更高的电子密度,本文首先从经济性的角度(固定功率)利用一维流体模型进行数值仿真,得到大气压射频容性放电中电子密度和电子温度随极板间隙的演化,发现前者随极板间隙的演化趋势近似呈现钟形,“钟”的最顶端所对应的间隙即是放电的最优间隙。随后进一步研究了更高电源频率下的这种最优间隙,发现随着频率的升高,最优间隙越小;这是因为在更高的频率下,电子在一个周期内的运动路径变短,把电子束缚在空间中所需要的间隙也就变短。为得到均匀稳定大面积的低温等离子体,近些年来研究者们提出了一种新的放电形式—脉冲调制放电,它是通过对(射频)电源的周期性开断使气体发生不连续的放电从而达到抑制高温发展和节省功率的目的。本文第四章就是研究了这种脉冲调制放电,对电子密度、电子温度及各活性粒子随占空比、调制频率及氧含量演化的规律进行了探讨,发现在某些占空比下电子密度反而高于连续放电的情况,并从化学反应的角度对这种现象作出了解释。最后在第五章将放电间隙缩小一个量级,并将频率提高,研究了微等离子体放电在脉冲调制下的异常,发现在电源开通后的第一个射频周期,放电电流异常强烈,并从数值角度分析了这种异常的原因;随后同样也对宏观放电电流及微观电子密度、各活性粒子密度随占空比的演化规律进行了揭示。一方面,利用仿真结果可以发现放电机理随参数的演化,可以预测更广参数范围内的放电现象及物理机制,对放电理论的发展有促进作用;另一方面,活性粒子随各参数的演化规律对于工业中活性粒子数目及能量的调节有着相当的指导意义,有很重要的应用价值。
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