介质阻挡稳态丝状放电数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)宁夏大学数学计算机学院 作者:赵静

  本文采用流体模型对纯Ne介质阻挡放电(DBD)中的丝状放电现象进行了研究. 通过模拟获得了放电过程中电流、带电粒子等物理参数的时间空间分布及丝状放电的形成。结果表明,在pd值较低及方波驱动电压条件下,初始均匀的DBD中将逐渐形成多个稳定的丝状放电通道,而且所有通道的丝状放电同时进行,形成单个放电电流脉冲。同时模拟结果表明,在辉光放电范围内,升高pd值,丝状放电的数量将减少。

  介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge ,DBD)是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电方式。通过介质阻挡放电可以在很大的气压范围内(从真空到一个大气压或更高) 产生瞬态非平衡低温等离子体,同时获得自由基和准分子等活性粒子。DBD作为一种非常实用而有效的低温等离子体产生方式,已广泛应用于工业生产和科学研究中,如臭氧的产生、材料表面处理、半导体生产、环境保护等。

  通常DBD间隙内的气体放电由许多在时空上随机分布的丝状放电构成,这些丝状放电的持续时间很短,一般为纳秒量级。实验发现,丝状放电通常呈现圆柱型微通道,每一个丝状通道就是一个放电击穿过程。因此一些研究者将丝状放电作为DBD的主要特性,并通过研究微放电的性质来研究DBD的整体特性。DBD中,多个丝状放电之间相互作用,还会形成一些稳定的结构,即自组织图像,因此研究DBD丝状放电的形成机理及其相互作用模式,成为近年来DBD实验与理论研究的重要问题之一。而在材料表面处理、半导体生产中,DBD的丝状放电影响到所产生的低温等离子体均匀性和处理的效率。研究DBD中丝状放电的产生和控制因素,也有利于改善DBD产生的等离子体特性。

  人们已经获得了很多不同条件下DBD中丝状放电的图像,美国的M. Klein等利用ICCD拍摄了一维DBD系统的时域图像 ,但DBD丝状放电的形成原因及影响因素还不能确定。Tatsuru 等发现在氧化镁(MgO)薄膜覆盖介质表面的DBD中,氩气放电丝数目随着电压的增加而增多,而无氧化镁薄膜覆盖的DBD中,丝状放电发生旋转。董丽芳等利用水电极DBD 放电,获得了丝状放电构成的四边形、六边形等结构,他们还在高压氩气DBD实验中,发现随着电压升高,系统先后出现放电丝个数增加及单个放电丝每半周期脉冲数增加,以此来增大DBD 的总电流。在理论上,一些研究者利用数值模拟对丝状放电进行了很多研究,加深了人们对于丝状放电特性的认识. Haruaki研究了DBD准分子灯中多条丝状放电的形成,认为丝状放电沿着介质表面扩散的边缘是下一个脉冲中丝状放电的起点;Brauer 等通过模拟认为,当外加电压超过击穿电压,必然形成周期性的丝状放电;张远涛等采用简化的二维双流体模型对大气压下丝状放电的整体时空演化进行了研究。然而以上的研究有的是在不均匀的初始条件下给出的,有的研究结果是在高气压下pd 值较大情况下的非稳态丝状放电。

  本文主要通过流体模型对介质阻挡放电过程进行数值模拟,分析了pd 值较小条件下DBD 的稳态丝状放电过程。

1、DBD丝状放电模拟模型

1.1、物理模型

  模似所采用的模型为局域电场近似模型(LFA) ,包括电子和离子的连续性方程,泊松方程及相应的边界条件。这一近似模型适合于描述辉光放电条件下的弱电离等离子体。在LFA模型中,离子和电子的连续性方程和动量转移方程为 :

  其中np和ne分别为离子p和电子的密度,Γp和Γe为离子和电子的通量密度, Sp(r,t)和Si(r,t)分别为离子、电子的源项。μp、Dp、μe 、De 为离子及电子的迁移率和扩散系数。

  限于篇幅,文章第二章节的部分内容省略,详细文章请邮件至作者索要。

3、结论

  本文采用流体模型对介质阻挡放电过程进行了模拟,研究了气压为几十~13×103Pa 、pd值较小条件下DBD的丝状放电。结果表明,在低pd值条件下,初始均匀的放电经过几个脉冲后,将逐渐产生多个放电丝,而且所有的丝状放电几乎同时进行,形成单一放电电流脉冲。因此,若pd 值较低,采用方波脉冲电压,可以在辉光条件下获得稳定的丝状放电。而如果升高气压,放电丝在演化过程中可能出现合并。有关DBD 丝状放电的成因及影响因素,将在后继工作中进一步探讨。

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