Ar、He等离子体射流子弹中电子能谱及外施电压效应的数值模拟研究
发布时间：2021-04-02 06:42
近年来,大气压非平衡等离子体射流由于它的许多优点,在生物医学中已得到了广泛的应用。等离子体射流中通过电子碰撞激发和电离产生大量活性粒子,这些粒子对于等离子体射流在生物医学中的应用具有关键的作用,预期的生物医学效应主要通过活性粒子与生物组织的相互作用来获得。另一方面,作为等离子体射流中的重要粒子,电子不仅浓度高,而且在等离子体透入被处理物表面水溶液中时,活跃地参与了等离子体与水溶液的相互作用,并在此过程中扮演了重要的角色。这两个方面均与电子的能量密切关联,因此,研究等离子体射流中电子能谱的演化及其参数效应具有重要意义。本文基于建立的针-板放电结构,使用一维包含蒙特卡罗碰撞的粒子模拟方法,简称 PIC-MCC（particle-in-cell Monte-Carlo collision）方法,系统地研究了正极性脉冲电压作用下大气压氩气非热平衡等离子体射流整个放电空间和三个特征区域（暗通道、等离子体子弹和暗区）中,电子能谱的时空演化,研究了电子能谱的外施电压效应,并对大气压氩气、氦气非热平衡等离子体射流电子能谱作了比较研究。本文工作取得了以下的创新性成果和结论:1.氩等离子体射流（1）射流中...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?Ｌｕ等人研制的脉冲直流等离子体射流装置示意图??
?山东大学硕士学位论文??子体射流装置［２８］，图１－２示意了它的基本结构。两个玻璃圆盘表面上分别安装一??个铜环电极，并将这两个玻璃圆盘放入直径相同的玻璃介质管中，其中高压电极??接脉冲直流激励，另一圆环电极接地，通入工作气体，则该装置可产生等离子体??射流，并且可徒手触摸，不会产生烧灼感。??Ｌａｒｏｕｓｓｉ和Ｌｕ为了使研制的射流装置可更好的用于生物医学领域，就必须??解决由于铜环电极裸露而存在放电模式转换形成电弧的风险。为此，Ｌｕ等人进??一步将高压针电极包裹在绝缘介质当中，这样就消除了产生电弧的风险，从而研??发设计了一种更为安全的大气压非平衡等离子体射流装置［２９］。??（２）直流等离子体射流??直流电源射流成本低、结构简单，但通常为了获得稳定的放电需要在直流电??源与高压电极之间接入限流电阻或采用较低功率的直流电源，总之直流等离子体??射流也有着广泛的应用。??Ｂｕｓｓｉａｈｎ等人设计了如图１－３所示的直流驱动的针－板放电结构的射流装置，??它可以产生直径３０微米的细丝状的射流，并且其等离子体喷射长度可达１．５ｃｍ［３ＱＩ。??该装置可有助于克服牙髓治疗中的杀菌消毒问题，对于牙髓感染，根尖管区细菌??妨碍愈合，应予以杀灭，然而，这些区域很难用冲洗或消毒剂冲洗等传统消毒手??段杀菌消毒，这种等离子体装置为杀灭这些残留细菌提供了良好的前景。??等离子体??？：一一?／?Ｕ??／＼??？?Ｉ?１?／?Ｖ??＋?高压电极?介质管?地电极?＿Ｌ??图１－３?Ｂｕｓｓｉａｈｎ的直流等离子体射流装置示意图??Ｋｏｌｂ等研制了直流驱动的微空心阴极等离子体射流装置，其产生的大气压??空气等离子体射流长度可
??山东大学硕士学位论文????（３）交流等离子体射流??交流等离子体射流的常见激励源是ｋＨｚ级的交流源，在材料表面处理，等离??子体生物医学等方面有着较多的应用。图１－４是一种典型的交流大气压非平衡等??离子体射流装置，其电极结构主要由两个环状电极组成，并在两电极之间接交流??电源，同时通入工作气体即可在介质管喷嘴处产生大气压非平衡等离子体射流。??Ｔｅｓｃｈｋｅ等利用高速摄像机（ＩＣＣＤ）对等离子体射流的喷射过程进行拍摄，发现??等离子射流并不是连续的，而是从介质管中喷射出类似于“子弹”形状的发光体??进而提出“等离子体子弹”这一术语［３２］。??介质管?＾电极??Ｉ?／?＼?等离子体射流??Ｉ?ｊ?Ｉ??气体入口?—■?－？?！??交笼电源??图１－４典型的大气压非平衡等离子体射流装置示意图??随后Ｌｕ等成功研制了一种交流的大气压非平衡等离子体射流装置。该装置??由频率为４０ｋＨｚ，有效值为５?ｋＶ的交流电压驱动，可产生速度达１０５ｍ／ｓ，长度??可达１１ｃｍ、温度为常温的高化学活性的等离子体射流％。Ｋｅｉｄａｒ等研制了一种??低压交流驱动的大气压氩气非平衡等离子体射流装置，能够应用于生物医学以及??涂层表面处理１３４１。??（４）射频等离子体射流??射频等离子体射流是由频率高达ＭＨｚ级的交流源驱动，射频等离子体射流??气体温度在２０°Ｃ？２００°Ｃ，可产生均匀的放电，故在生物医学、薄膜沉积以及材料??表面改性等领域也有着较多的应用。??如前文所述，在１９９８年由Ｈｉｃｋｓ等人研制的第一个大气压非热平衡等离子??体射流装置便是由频率为１３．５６?ＭＨｚ的射频电源驱动。Ｋｉｅｆｔ等研发了
本文编号：3114792
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?Ｌｕ等人研制的脉冲直流等离子体射流装置示意图??
?山东大学硕士学位论文??子体射流装置［２８］，图１－２示意了它的基本结构。两个玻璃圆盘表面上分别安装一??个铜环电极，并将这两个玻璃圆盘放入直径相同的玻璃介质管中，其中高压电极??接脉冲直流激励，另一圆环电极接地，通入工作气体，则该装置可产生等离子体??射流，并且可徒手触摸，不会产生烧灼感。??Ｌａｒｏｕｓｓｉ和Ｌｕ为了使研制的射流装置可更好的用于生物医学领域，就必须??解决由于铜环电极裸露而存在放电模式转换形成电弧的风险。为此，Ｌｕ等人进??一步将高压针电极包裹在绝缘介质当中，这样就消除了产生电弧的风险，从而研??发设计了一种更为安全的大气压非平衡等离子体射流装置［２９］。??（２）直流等离子体射流??直流电源射流成本低、结构简单，但通常为了获得稳定的放电需要在直流电??源与高压电极之间接入限流电阻或采用较低功率的直流电源，总之直流等离子体??射流也有着广泛的应用。??Ｂｕｓｓｉａｈｎ等人设计了如图１－３所示的直流驱动的针－板放电结构的射流装置，??它可以产生直径３０微米的细丝状的射流，并且其等离子体喷射长度可达１．５ｃｍ［３ＱＩ。??该装置可有助于克服牙髓治疗中的杀菌消毒问题，对于牙髓感染，根尖管区细菌??妨碍愈合，应予以杀灭，然而，这些区域很难用冲洗或消毒剂冲洗等传统消毒手??段杀菌消毒，这种等离子体装置为杀灭这些残留细菌提供了良好的前景。??等离子体??？：一一?／?Ｕ??／＼??？?Ｉ?１?／?Ｖ??＋?高压电极?介质管?地电极?＿Ｌ??图１－３?Ｂｕｓｓｉａｈｎ的直流等离子体射流装置示意图??Ｋｏｌｂ等研制了直流驱动的微空心阴极等离子体射流装置，其产生的大气压??空气等离子体射流长度可
??山东大学硕士学位论文????（３）交流等离子体射流??交流等离子体射流的常见激励源是ｋＨｚ级的交流源，在材料表面处理，等离??子体生物医学等方面有着较多的应用。图１－４是一种典型的交流大气压非平衡等??离子体射流装置，其电极结构主要由两个环状电极组成，并在两电极之间接交流??电源，同时通入工作气体即可在介质管喷嘴处产生大气压非平衡等离子体射流。??Ｔｅｓｃｈｋｅ等利用高速摄像机（ＩＣＣＤ）对等离子体射流的喷射过程进行拍摄，发现??等离子射流并不是连续的，而是从介质管中喷射出类似于“子弹”形状的发光体??进而提出“等离子体子弹”这一术语［３２］。??介质管?＾电极??Ｉ?／?＼?等离子体射流??Ｉ?ｊ?Ｉ??气体入口?—■?－？?！??交笼电源??图１－４典型的大气压非平衡等离子体射流装置示意图??随后Ｌｕ等成功研制了一种交流的大气压非平衡等离子体射流装置。该装置??由频率为４０ｋＨｚ，有效值为５?ｋＶ的交流电压驱动，可产生速度达１０５ｍ／ｓ，长度??可达１１ｃｍ、温度为常温的高化学活性的等离子体射流％。Ｋｅｉｄａｒ等研制了一种??低压交流驱动的大气压氩气非平衡等离子体射流装置，能够应用于生物医学以及??涂层表面处理１３４１。??（４）射频等离子体射流??射频等离子体射流是由频率高达ＭＨｚ级的交流源驱动，射频等离子体射流??气体温度在２０°Ｃ？２００°Ｃ，可产生均匀的放电，故在生物医学、薄膜沉积以及材料??表面改性等领域也有着较多的应用。??如前文所述，在１９９８年由Ｈｉｃｋｓ等人研制的第一个大气压非热平衡等离子??体射流装置便是由频率为１３．５６?ＭＨｚ的射频电源驱动。Ｋｉｅｆｔ等研发了
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