【摘要】：大氣壓介質(zhì)阻擋放電具有產(chǎn)生的等離子體密度高、宏觀氣體溫度低、免于昂貴的真空設(shè)備、便于操作與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是目前國(guó)際上等離子體科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。作為一種典型的非平衡放電體系,大氣壓介質(zhì)阻擋放電除了豐富和多樣化的放電現(xiàn)象外,在材料表面改性、薄膜沉積、氣相沉積、環(huán)境工程等領(lǐng)域方面均有著良好的應(yīng)用前景。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,更是顯現(xiàn)出了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。盡管在應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的潛在優(yōu)勢(shì),但針對(duì)大氣壓介質(zhì)阻擋放電若干關(guān)鍵等離子體參數(shù)進(jìn)行定向優(yōu)化及選擇性調(diào)控尚缺乏有效手段。本文以大氣壓介質(zhì)阻擋放電為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)外施驅(qū)動(dòng)電壓波形進(jìn)行雙頻及諧波調(diào)制,開(kāi)展了大氣壓介質(zhì)阻擋放電關(guān)鍵等離子體參數(shù)調(diào)制技術(shù)及其機(jī)理研究。采用一維流體力學(xué)模型耦合半動(dòng)力學(xué)方法,分別對(duì)雙頻驅(qū)動(dòng)及諧波驅(qū)動(dòng)兩種不同調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析研究了不同波形調(diào)制方式(如調(diào)整電壓比率、頻率比率、基頻的頻率、諧波數(shù)、相移等)對(duì)電子密度、宏觀溫度、電子能量等關(guān)鍵等離子體參數(shù)特性的影響規(guī)律,并從電子碰撞電離、電子加熱、電子能量分布函數(shù)等電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程入手揭示了相應(yīng)的調(diào)控機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量,對(duì)雙頻驅(qū)動(dòng)條件下介質(zhì)阻擋放電特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在雙頻驅(qū)動(dòng)條件下,數(shù)值模擬研究結(jié)果表明:在單高頻的基礎(chǔ)上施加一個(gè)低頻分量可使放電等離子體密度顯著上升,同時(shí)宏觀氣體溫度基本保持不變,且與單高頻驅(qū)動(dòng)相比,雙頻驅(qū)動(dòng)具有較低的擊穿電壓,可以在較寬的電壓范圍內(nèi)維持穩(wěn)定α放電模式。此外,研究發(fā)現(xiàn),雙頻間存在強(qiáng)烈的非線性協(xié)同作用,利用非線性協(xié)同效應(yīng)作用可以有效改變放電過(guò)程中的電子碰撞電離及電子功率吸收,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化等離子體參數(shù)的效果。通過(guò)頻譜掃描發(fā)現(xiàn),當(dāng)雙頻間頻率相差較大時(shí)可以在較寬的頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)耦合作用,但產(chǎn)生耦合增益的電子密度增幅較小;反之,當(dāng)雙頻間頻率較為接近時(shí),非線性耦合僅出現(xiàn)在較窄的頻段范圍內(nèi),但產(chǎn)生耦合增益的電子密度增幅較大。另外,基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)雙頻驅(qū)動(dòng)條件下介質(zhì)阻擋放電特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有良好一致性。上述結(jié)果表明,雙頻調(diào)制技術(shù)通過(guò)對(duì)放電過(guò)程中電子動(dòng)力學(xué)行為的調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀參數(shù)(密度、溫度、能量)的優(yōu)化及獨(dú)立控制,可為大氣壓介質(zhì)阻擋放電關(guān)鍵等離子體參數(shù)定向優(yōu)化及選擇性調(diào)控提供有效手段。針對(duì)雙頻調(diào)制技術(shù)對(duì)頻率參數(shù)選取敏感的問(wèn)題,本文開(kāi)展了諧波驅(qū)動(dòng)對(duì)大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的調(diào)制研究,結(jié)果表明:通過(guò)改變基波與諧波的組合方式可產(chǎn)生電非對(duì)稱(chēng)效應(yīng),主要分為斜率非對(duì)稱(chēng)效應(yīng)及幅值非對(duì)稱(chēng)效應(yīng)。利用斜率非對(duì)稱(chēng)效應(yīng)可以有效改變功率電極以及地電極鞘層電壓的幅值,從而改變電子及離子的空間分布情況,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子密度及氣體溫度的有效調(diào)控;利用幅值非對(duì)稱(chēng)效應(yīng)可以有效改變功率電極及地電極鞘層平均電子能量分布、平均離子通量分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)放電過(guò)程中平均電子密度及平均電子能量的有效調(diào)控。此外,研究表明,基波頻率可有效調(diào)制地電極側(cè)的電子密度,諧波數(shù)則有效調(diào)制功率極側(cè)的電子能量。通過(guò)改變基波頻率與諧波數(shù)可以有效調(diào)制放電過(guò)程中平均電子能量及電子密度。這一結(jié)果為大氣壓介質(zhì)阻擋放電電子密度及電子能量的定性?xún)?yōu)化及選擇調(diào)制提供了一種新的手段。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O461;O53
【圖文】：

圖 1-3 1857 年 W. Siemens 等人提出的 DBD 結(jié)構(gòu)臭氧發(fā)生裝置[42]Fig.1-3 Historic ozone discharge tube of W. Siemens (1857).1860 年 Siemen 與 A. Tait[43]等人聯(lián)合發(fā)表文章，稱(chēng)這種結(jié)構(gòu)的放電為”，這一概念至今仍被英、法、德等多國(guó)所使用。20 世紀(jì)初，Emil W對(duì)這種放電方式進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)研究[44]，德國(guó)學(xué)者 Becker 及法國(guó) 基于上述研究，利用介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了工業(yè)用臭氧發(fā)生器，幾十年里，這種放電結(jié)構(gòu)一直是臭氧及氮氧化物的主要生產(chǎn)方式]。

圖 1-4 工業(yè)用大型臭氧發(fā)生器[45]Fig. 1-4 The large-scale industrial ozone generator2 年，電氣工程師 K. Buss[47]首次在兩平板電極上覆蓋絕緣介空氣進(jìn)行擊穿，在放電過(guò)程中觀察到大量明亮的細(xì)絲狀放電壓成像技術(shù)（李庭博圖，Lichtenberg Figures）成功捕獲這種電圖像，同時(shí)記錄下這種放電模型的典型電壓電流波形。19y[48]提出一種通過(guò)閉合電壓、電荷關(guān)系（李薩如圖，Lissajou

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2723564