大气压脉冲放电和射频放电过程研究

发布时间：2020-07-11 19:26

【摘要】：近年来,由于大气压辉光放电产生的等离子体在材料表明处理、薄膜沉积、生物消毒和环境处理等方面体现的应用优势,大气压辉光放电的基础和应用研究都得到了国内外的广泛关注。目前大气压辉光放电主要采用数值模拟和实验研究大气压介质阻挡辉光放电、大气压脉冲辉光放电和大气压射频辉光放电。在实验研究中,除了通过放电电流电压波形研究放电电学特性和采用等离子体发射光谱表征放电中产生的激发态粒子,通常还通过对两电极板间的放电侧视图进行获得放电的时空演变过程,讨论放电的动力学过程。由于在大气压辉光放电在应用过程中对等离子体均匀性的要求,需要了解在电极表面的放电形貌,而且其对放电的稳定性也有重要影响。本文通过对大气压辉光放电在电极板表面的等离子体图像进行时间分辨诊断和研究,研究的放电形式包括大气压脉冲辉光放电、大气压脉冲调制射频辉光放电、大气压脉冲辉光放电辅助射频辉光放电。结合放电电流电压波形和放电在电极板间的等离子体图像的时空分布,系统研究了放电过程,特别脉冲放电对射频辉光放电的辅助作用。研究发现:大气压脉冲辉光放电中对应于脉冲电压上升沿阶段的第一次放电会在透明玻璃电极表面形成放电环,而在对应于脉冲电压下降沿阶段的第二次放电时快速收缩到金属电极表面;大气压射频辉光放电在起辉阶段首先在两电极中间产生,形成钟形空间分布,然后逐步演化为稳定放电状态下的双峰形分布,另外在电极边缘放电也得到了加强;在大气压射频辉光放电中引入脉冲放电以后,脉冲放电中的第一次放电得到了加强,表现为在电极表面形成的放电圆环更强。在两种放电协同放电阶段,电极表面放电随时间表现为脉冲放电形成的放电圆环扩展和收缩与射频辉光放电形成的放电圆盘强弱变化的共存状态。另外研究了脉冲放电与脉冲调制射频辉光放电的相互作用,在脉冲放电的辅助作用下,射频辉光放电起辉过程能更快进入稳定放电状态,表现为在两电极间射频辉光放电起辉阶段就形成了双峰空间分布结构。通过进一步研究脉冲放电和射频辉光放电在12?s、5?s和0?s情况下脉冲放电对射频辉光放电起辉的辅助作用,发现射频辉光放电图像强度能更快达到稳定值,说明通过减短脉冲放电和射频辉光辉光放电的时间间隔,能加强脉冲放电对射频辉光放电起辉的辅助效果,这主要是由于在射频辉光放电起辉时,放电空间残余的脉冲放电中产生的各种活性粒子较多,特别是对射频辉光放电起辉起重要重要的残余电子。通过系统研究大气压脉冲放电和射频辉光放电在电极表面和电极间的放电过程,对大气压辉光放电特性和机理有了更深入的了解,特别是为获得均匀稳定的大气压辉光放电等离子体源提供了实验依据,并为大气压辉光放电等离子体的应用提供了技术支持。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O461
【图文】：

图 1.1 大气压射频辉光放电过程中的电流电压波形大气压射频辉光放电在放电过程中，改变电压、电极板间距等外界条件，其放电的模式会发生模式转换[19]。研究者们和工业生产上最受欢迎的 模式，即是在低电压或者板极间距大等外在在条件下，等离子体放电会相对平和，整个放电空间会维持在较均匀的等离子体状态下，获得稳定的等离子体，这时放电模式被称为 模式[20]。随着增大电压或者缩小板极间距等条件，放电过程中的放电气体会更容易发生击穿，放电空间由均匀状收缩成一个柱状，放电变得不稳定且目前还对这种放电模式下的柱状位置不明，这时的放电模式被称为 γ 模式[21γ 模式的形成是由于放电过程中电子又经过一次电离造成的，γ 模式下的放电很不稳定，不适合在工业中应用，所以射频辉光放电应当避免发生这种放电模式转变，放电的参数控制需要不断改善，尽可能地能够更好的控制射频辉光放电从而提高其稳定性[22]。

所以放电采用的外加电压通常要在 1KV 以上。图 1.2 介质阻挡放电结构图1.3是由一个正弦交流的外接电压通过双电极板放电产生的大气压介质阻挡辉光放电，其放电的电流电压波形可在图中观察到放电过程不同空间结构下的放电电压并不一致，在放电过程中电极板的介质上会存在一个缓冲电压，其作用是累积电荷，当达到一定数量时，电极间的电势足够大发生击穿，使装置内的气

在大气压脉冲调制射频辉光放电过程中，通过一个脉冲信号调制控制射频同步到射频电源上，调整脉冲信号的占空比可以改变射频放电在一个脉冲周的放电时间，简而言之即是用脉冲信号当作开关来周期性的控制射频辉光放起辉过程和湮灭过程[23]。图 1.4 为一个典型的脉冲调制射频辉光放电的脉冲和射频周期内的电流电压波形图，可以看到一个射频放电段是不连续的，其一个脉冲调制信号控制，其中脉冲调制信号的频率为 10KHz，占空比为 50频放电在整个放电过程周期性的发生放电，而在每个脉冲调制信号的周期内放电会经历一个起辉到湮灭的过程，其间在下降沿出没有发生放电但空间仍在剩余的活性粒子，在下一个周期的放电中会帮助其起辉。放电过程中中间放电的湮灭，整个放电空间中放电的强度会降低，放电的等离子体也在减少以也从一定程度上改善了连续型射频放电的不足之处，降低了功率和耗散以频放电获得的等离子体温度也在相应降低，如此反复，在宏观上等离子体会一个平稳的温度状态，同时也抑制了其在放电的过程中向 γ 模式的转化[24]，使得放电过程中产生的等离子体长期处于稳定的 模式，可以更好的应用业生产中。

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本文编号：2750823