本文采用流體模型對純Ne介質(zhì)阻擋放電(DBD)中的絲狀放電現(xiàn)象進(jìn)行了研究. 通過模擬獲得了放電過程中電流、帶電粒子等物理參數(shù)的時(shí)間空間分布及絲狀放電的形成。結(jié)果表明,在pd值較低及方波驅(qū)動電壓條件下,初始均勻的DBD中將逐漸形成多個(gè)穩(wěn)定的絲狀放電通道,而且所有通道的絲狀放電同時(shí)進(jìn)行,形成單個(gè)放電電流脈沖。同時(shí)模擬結(jié)果表明,在輝光放電范圍內(nèi),升高pd值,絲狀放電的數(shù)量將減少。

　　介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge ,DBD)是將絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電方式。通過介質(zhì)阻擋放電可以在很大的氣壓范圍內(nèi)(從真空到一個(gè)大氣壓或更高) 產(chǎn)生瞬態(tài)非平衡低溫等離子體,同時(shí)獲得自由基和準(zhǔn)分子等活性粒子。DBD作為一種非常實(shí)用而有效的低溫等離子體產(chǎn)生方式,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中,如臭氧的產(chǎn)生、材料表面處理、半導(dǎo)體生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等。

　　通常DBD間隙內(nèi)的氣體放電由許多在時(shí)空上隨機(jī)分布的絲狀放電構(gòu)成,這些絲狀放電的持續(xù)時(shí)間很短,一般為納秒量級。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),絲狀放電通常呈現(xiàn)圓柱型微通道,每一個(gè)絲狀通道就是一個(gè)放電擊穿過程。因此一些研究者將絲狀放電作為DBD的主要特性,并通過研究微放電的性質(zhì)來研究DBD的整體特性。DBD中,多個(gè)絲狀放電之間相互作用,還會形成一些穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),即自組織圖像,因此研究DBD絲狀放電的形成機(jī)理及其相互作用模式,成為近年來DBD實(shí)驗(yàn)與理論研究的重要問題之一。而在材料表面處理、半導(dǎo)體生產(chǎn)中,DBD的絲狀放電影響到所產(chǎn)生的低溫等離子體均勻性和處理的效率。研究DBD中絲狀放電的產(chǎn)生和控制因素,也有利于改善DBD產(chǎn)生的等離子體特性。

　　人們已經(jīng)獲得了很多不同條件下DBD中絲狀放電的圖像,美國的M. Klein等利用ICCD拍攝了一維DBD系統(tǒng)的時(shí)域圖像 ,但DBD絲狀放電的形成原因及影響因素還不能確定。Tatsuru 等發(fā)現(xiàn)在氧化鎂(MgO)薄膜覆蓋介質(zhì)表面的DBD中,氬氣放電絲數(shù)目隨著電壓的增加而增多,而無氧化鎂薄膜覆蓋的DBD中,絲狀放電發(fā)生旋轉(zhuǎn)。董麗芳等利用水電極DBD 放電,獲得了絲狀放電構(gòu)成的四邊形、六邊形等結(jié)構(gòu),他們還在高壓氬氣DBD實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)隨著電壓升高,系統(tǒng)先后出現(xiàn)放電絲個(gè)數(shù)增加及單個(gè)放電絲每半周期脈沖數(shù)增加,以此來增大DBD 的總電流。在理論上,一些研究者利用數(shù)值模擬對絲狀放電進(jìn)行了很多研究,加深了人們對于絲狀放電特性的認(rèn)識. Haruaki研究了DBD準(zhǔn)分子燈中多條絲狀放電的形成,認(rèn)為絲狀放電沿著介質(zhì)表面擴(kuò)散的邊緣是下一個(gè)脈沖中絲狀放電的起點(diǎn);Brauer 等通過模擬認(rèn)為,當(dāng)外加電壓超過擊穿電壓,必然形成周期性的絲狀放電;張遠(yuǎn)濤等采用簡化的二維雙流體模型對大氣壓下絲狀放電的整體時(shí)空演化進(jìn)行了研究。然而以上的研究有的是在不均勻的初始條件下給出的,有的研究結(jié)果是在高氣壓下pd 值較大情況下的非穩(wěn)態(tài)絲狀放電。

　　本文主要通過流體模型對介質(zhì)阻擋放電過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了pd 值較小條件下DBD 的穩(wěn)態(tài)絲狀放電過程。

1、DBD絲狀放電模擬模型

1.1、物理模型

　　模似所采用的模型為局域電場近似模型(LFA) ,包括電子和離子的連續(xù)性方程,泊松方程及相應(yīng)的邊界條件。這一近似模型適合于描述輝光放電條件下的弱電離等離子體。在LFA模型中,離子和電子的連續(xù)性方程和動量轉(zhuǎn)移方程為 :

　　其中np和ne分別為離子p和電子的密度,Γp和Γe為離子和電子的通量密度, Sp(r,t)和Si(r,t)分別為離子、電子的源項(xiàng)。μp、Dp、μe 、De 為離子及電子的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)。

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請郵件至作者索要。

3、結(jié)論

　　本文采用流體模型對介質(zhì)阻擋放電過程進(jìn)行了模擬,研究了氣壓為幾十～13×10³Pa 、pd值較小條件下DBD的絲狀放電。結(jié)果表明,在低pd值條件下,初始均勻的放電經(jīng)過幾個(gè)脈沖后,將逐漸產(chǎn)生多個(gè)放電絲,而且所有的絲狀放電幾乎同時(shí)進(jìn)行,形成單一放電電流脈沖。因此,若pd 值較低,采用方波脈沖電壓,可以在輝光條件下獲得穩(wěn)定的絲狀放電。而如果升高氣壓,放電絲在演化過程中可能出現(xiàn)合并。有關(guān)DBD 絲狀放電的成因及影響因素,將在后繼工作中進(jìn)一步探討。