大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究-图学学报.PDF

第 35 卷 第 4 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.35, No.4 2 0 1 5 年 12 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Dec. 2015 文章编号：0254−6086(2015)04−0368−05 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201504014 大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究 王一男，代玉杰，王学慧 (辽宁石油化工大学理学院，抚顺 113001) 摘 要：基于漂移扩散近似，对大气压下氧气射频放电产生的等离子体建立了一维流体模型，包括了电子、 正离子和负离子的连续性方程、电子能量方程及泊松方程。采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽的数值模 拟，得到了相应的数值结果。通过对所得数值结果的分析，研究了大气压下氧气放电的基本特性。研究表明，大 12 −3 − 气压氧气放电中等离子体密度可达到 10 cm ,电子温度约在 1.23eV，放电中主要的负离子是 O 离子；随着电压 峰值的增加，电子密度、电子温度都增加，但 n /n 的比率先增加到 7.5%又后减小到 5% ，在电压峰值为 700V O− e 时达到最大。 关键词：氧气放电；有限差分法；数值模拟 中图分类号：O539 文献标志码：A  1 引言 真，国内外学者开展了大量的研究工作。Panda 等 气体放电等离子体在等离子体辅助刻蚀、薄膜 人[8]研究了氧气脉冲放电中的亚稳态氧气分子的特 沉积、消毒灭菌等领域有着广泛的应用。目前，在 性，氧的亚稳态分子随着气体压强的增加而增加， 实际工业应用中大部分是低气压辉光放电等离子 输入功率的增加而减小。Stoffels 等人[9]研究了负离 体，在低气压条件下很容易实现辉光放电从而获得 子在射频氧气等离子体中的作用，研究表明在放电 等离子体。然而，低气压辉光放电等离子体需要在 中主要的离子是 O−离子。Buntat 等人[10]对大气压下 真空腔中完成，材料的加工过程不能连续并且加工 空气放电产生臭氧的方法进行了研究，通过研究发 材料的大小受腔室体积限制，除此之外，真空腔室 现，输入的电压、气体流量、放电腔室的大小都对 的建造和维护费用较高。因此，有关大气压气体放 臭氧的产生有影响。 电等离子体的基础研究和应用引起了国内外学者 本文研究的是大气压下射频氧气放电的特性。 的广泛兴趣[1~5] 。大气压氧气射频放电等离子体中 由于氧气放电中的粒子种类繁多，物理化学反应过 存在着大量的活性粒子(氧原子、臭氧、激发态的粒 程复杂，因此对模型做了相应的简化。简化后的模 子等) ，在医疗灭菌，材料表面改性等领域都有着重 型仍能很好的反映放电中氧气等离子体的相应物 [6~8] [9, 11] 理过程 。 要的应用并且有着较好的应用前景 。 由于大气压气体放电过程比较剧烈，反应复 杂，放电区域狭小，导致现有的等离子体诊断设备 2 模型 受到了时间、空间分辨率的双重限制，难以精准的