大气压介质阻挡放电等离子体调制技术及其特性研究.pdf

摘要

大气压介质阻挡放电具有产生的等离子体密度高、宏观气体温度低、免于

昂贵的真空设备、便于操作与维护等优点，是目前国际上等离子体科学与技术

领域的研究热点之一。作为一种典型的非平衡放电体系，大气压介质阻挡放电

除了丰富和多样化的放电现象外，在材料表面改性、薄膜沉积、气相沉积、环

境工程等领域方面均有着良好的应用前景。特别是在生物医学领域，更是显现

出了独特的技术优势。尽管在应用领域有着巨大的潜在优势，但针对大气压介

质阻挡放电若干关键等离子体参数进行定向优化及选择性调控尚缺乏有效手

段。

本文以大气压介质阻挡放电为研究对象，通过对外施驱动电压波形进行双

频及谐波调制，开展了大气压介质阻挡放电关键等离子体参数调制技术及其机

理研究。采用一维流体力学模型耦合半动力学方法，分别对双频驱动及谐波驱

动两种不同调制技术进行了数值模拟，分析研究了不同波形调制方式（如调整

电压比率、频率比率、基频的频率、谐波数、相移等）对电子密度、宏观温度、

电子能量等关键等离子体参数特性的影响规律，并从电子碰撞电离、电子加热、

电子能量分布函数等电子动力学过程入手揭示了相应的调控机理。在此基础上，

结合实验测量，对双频驱动条件下介质阻挡放电特性进行了实验验证。

在双频驱动条件下，数值模拟研究结果表明：在单高频的基础上施加一个

低频分量可使放电等离子体密度显著上升，同时宏观气体温度基本保持不变，

且与单高频驱动相比，双频驱动具有较低的击穿电压，可以在较宽的电压范围

内维持稳定α放电模式。此外，研究发现，双频间存在强烈的非线性协同作用，

利用非线性协同效应作用可以有效改变放电过程中的电子碰撞电离及电子功率

吸收，从而实现优化等离子体参数的效果。通过频谱扫描发现，当双频间频率

相差较大时可以在较宽的频段范围内实现耦合作用，但产生耦合增益的电子密

度增幅较小；反之，当双频间频率较为接近时，非线性耦合仅出现在较窄的频

段范围内，但产生耦合增益的电子密度增幅较大。另外，基于现有的实验装置，

对双频驱动条件下介质阻挡放电特性进行了实验验证，实验结果与数值模拟结

果具有良好一致性。上述结果表明，双频调制技术通过对放电过程中电子动力

学行为的调制，从而实现对宏观参数（密度、温度、能量）的优化及独立控制，

可为大气压介质阻挡放电关键等离子体参数定向优化及选择性调控提供有效手

段。

针对双频调制技术对频率参数选取敏感的问题，本文开展了谐波驱动对大

气压介质阻挡放电等离子体的调制研究，结果表明：通过改变基波与谐波的组

合方式可产生电非对称效应，主要分为斜率非对称效应及幅值非对称效应。利

用斜率非对称效应可以有效改变功率电极以及地电极鞘层电压的幅值，从而改

变电子及离子的空间分布情况，进而实现对电子密度及气体温度的有效调控；

利用幅值非对称效应可以有效改变功率电极及地电极鞘层平均电子能量分布、

平均离子通量分布，进而实现对放电过程中平均电子密度及平均电子能量的有

效调控。此外，研究表明，基波频率可有效调制地电极侧的电子密度，谐波数

则有效调制功率极侧的电子能量。通过改变基波频率与谐波数可以有效调制放

电过程中平均电子能量及电子密度。这一结果为大气压介质阻挡放电电子密度

及电子能量的定性优化及选择调制提供了一种新的手段。

关键词：大气压介质阻挡放电；参数调制；双频驱动；谐波驱动；非线性耦合

Abstract

Dielectricbarrierdischarges(DBD)asacommonmethodofgeneratinghigh

densityplasmaswithabundantactiveparticlesandplasmaspecies,havebeen

widelyinvestigatedinthepastfewdecades.Asanon-equilibriumdischargesystem,

DBDpossessesrichanddiversedischargephenomena,andexhibithugepromise

andpotentialinindustrialapplications.Someoftheseapp