少量氧气对大气压氩氧混合气体放电特性的影响.PDF

第 37 卷 第 4 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.37, No.4 2 0 1 7 年 12 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Dec. 2017 文章编号：0254−6086(2017)04−0482−07 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201704019 少量氧气对大气压氩氧混合气体放电特性的影响 1，2 1 1 1 王一男 ，金 鑫 ，王 莉 ，金 莹 (1. 辽宁石油化工大学理学院，抚顺 113001 ；2. 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，大连 116024) 摘 要：基于一维流体模型，采用数值模拟的方法研究了大气压氩氧混合气体放电中少量氧气含量对放电特 性的影响。根据模型方程进行了数值模拟分析，计算结果表明：随着氧气含量由 0.1%增加到 0.6% ，电子密度减 小，O− − 离子密度增加，总的负粒子密度增加，鞘层区电子温度增加。随着放电时间的增加，O 离子密度增加，电 子密度的变化分为三个阶段：电子密度快速增长阶段、电子密度下降阶段和电子密度稳定阶段。当氧气含量小于 1%时，电子密度随着氧气含量的增加迅速减小，氧原子密度快速增加；氧气含量大于 1%小于 4%时，电子密度 随氧气含量的增加而缓慢减少，氧原子密度缓慢增加直至不变。 关键词：数值模拟；大气压气体放电；氩氧混合气体 中图分类号：O539 文献标志码：A 1 引言 数。在大气压平板电极气体放电中掺入少量的活性 等离子体处理技术在很多制造业中得到了应 气体(比如氧气)将对放电特性有着很大的影响。本 用，特别是在汽车、航空及生物医用部件的表面处 文基于一维流体模型，采用有限差分的方法数值研 理方面。大气压气体放电是产生等离子体的主要方 究了大气压下氩气和氧气混合气体放电中少量氧 式之一。目前已经在大气压氦气、氩气等惰性气体 气对放电特性的影响。 中得到了稳定的气体放电等离子体[1~4] 。由于氧气 中存在着大量的活性粒子，如何在含氧的混合气体 2 模型 中产生稳定的放电无疑具有更重要的应用价值。近 本文所研究的放电产生于两个平行板电极间， 年来，国内外关于氩氧混合气体放电的理论和实验 放电结构与参考文献[8]一致，左端电极接地，右端 研究也很活跃。Li[5]等人在实验上研究了大气压氩 极板所施加的电压为射频电压。由于大气压氩氧气 氧混合气体放电中介质条对放电特性的影响，在特 放电中的粒子种类繁多，物理化学过程复杂，建模 定的氩氧混合气体比例下，通过在电极中间引入介 的关键任务就是根据放电参数范围选择合适的反 质条的方法可以得到稳定的氩氧混合气体放电等 应组分，因此本文对模型做了相应的简化，简化后 + 离子体。Guschl[6]等人研究了氩氧等离子的生物去 的模型中考虑了下列粒子种类：电子 e、正离子 Ar 、 污效率，研究表明氩氧等离子体的去污效率主要是 Ar2+ 、O2+ 、氩的亚稳态 Ar* 、氧原子 O 、负离子 由于放电中产生了大量的自由基、特别是高密度的 O−。相应的反应过程列于表 1 中。数值模拟采用一 氧原子或者氢氧化物。Qian[7]等人研究了