气体放电研究报告

气体放电研究报告

一、气体放电基本理论

1、气体放电的定义

气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。气体放电是产生低温等离子体的主要途径。所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。低温等离子体物理与技术在经历了一个由20世纪60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展对于高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。

2、气体放电的基本理论

气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。1903年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。针对汤森放电理论的不足，1940年左右，H．Raether及Loeb、Meek等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。

3、气体放电的主要类型

通常，低气压、低温等离子体是在1~100Pa的气体中进行直流、射频或微波放电产生的，而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD)。

比较而言，电晕放电比较微弱且产生的活性粒子效率较低而难以应用于工业生产。电弧放电则与此相反，由于产生的能量密度过高，导致电子与离子的能量较大足以损伤比较脆弱的工件。与此不同的是，介质阻挡放电能比较容易的产生非平衡等离子体，且等离子体的温度、密度适中。

应该说，从目前来看介质阻挡放电是主要的一种大气压放电的实现形式。介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种放电系统。由于介质的存在，可以限制电流的增长，使放电不至于形成火花放电或电弧放电。依赖于放电气体的种类、介质的属性及外加电压的幅值与频率，介质阻挡放电可以呈现三种不同的放

电模式，即丝状放电、均匀放电与斑图放电。介质阻挡放电在大气压下通常表现为丝状放电，其放电能量大部分集中于放电细丝中，这限制了其工业应用前景。为此研究人员采用多种方法来提高其均匀性。近年来基于介质阻挡放电原理来产生低温等离子体，尤其是大气压下均匀辉光放电（APGD）的研究受到国内外关注。通常激励介质阻挡放电的电源是工频或高频交流电源，随着脉冲电源技术的发展，近年来脉冲高压也被用于激励介质阻挡放电，并被证明能较好地改善均匀性并提高放电效率。

4、气体放电的主要应用

气体放电产生的低温等离子体在材料改性、废水废气处理、灭菌消毒、薄膜生长、纳米粉末制备、等离子体显示和生物技术等领域有许多重要的应用，并逐渐显示出很好的经济效益，具有重大的研究价值和深远的研究前景。

二、研究现状

1、研究内容

在放电方式上，有电晕放电、弧光放电和介质阻挡放电，而尤以介质阻挡放电的研究居多。在介质阻挡放电的三种放电模式中，又尤以大气压辉光放电的研究最多。均匀辉光放电一般在惰性气体中相对容易实现，而在空气中除非采取特殊方式，如降低气压、火花预电离辅助、采用特殊结构电极等，否则放电多表现为丝状介质阻挡放电。为了在大气压下获得大面积均匀的等离子体，人们采用各种方法提高放电的均匀性和稳定性，这是国内外的研究热点，同时也是研究难点。

根据研究目的来分，气体放电的研究可分为理论研究和应用研究。

理论研究侧重于研究气体放电的物理过程、等离子体性质、放电机理及稳定机制，着重解决如何产生、稳定和控制等离子体的问题，探究各种放电的机理。

而应用研究则是在理论研究的基础上，研究低温等离子体在各种实际问题中的应用技术。应用研究多采用实验研究的方法，针对某一具体应用问题，设计相应的等离子体产生、控制装置，分析实验现象，评判实验效果，并设计出实用乃至工用的设备装置。

目前状态是，研究如何从技术上实现放电及放电的应用研究较多，但放电的物理过程、等离子体性质、稳定机制等相对研究较少。

2、研究方法

在研究方法上，有实验研究、数值模拟和仿真研究等。

1）实验研究

实验研究是目前气体放电研究中采用最多的一种方法。根据研究目的，设计出相应的放电装置，选取一定的测量或观察方法，观察实验现象，分析实验结果。在实验设计中，提出一定的假设或研究物理量，并根据假设设定一定的变量；通过改变这些变量进行多次实验，对假设进行效果检验和可行性分析。

在实验研究以及工业应用中，等离子体参数诊断技术是特别重要的。目前比较成熟的等离子参数诊断方法有Langmiur探针、微波干涉、激光Thomson散射和光谱法等。但这些方法都只适用于低气压等离子体。在大气压条件下如何准确地测量等离子体参数是国内外研究者普遍遇到的难点。对大气压气体放电电子密

度的研究目前主要是数值模拟或通过放电电流估算。因此，对大气压下气体放电，尤其是可以工用的介质阻挡放电，很多都采用数值模拟的方法进行研究。

2）数值模拟

数值模拟方法是采用一定的数学模型，对大气压气体放电的时空演变过程进行仿真，计算放电间隙的电压、电流、电子离子密度等参量，分析气体放电的物理规律（物理过程、等离子体性质、放电机理、稳定机制等）。由于大气压下气体放电过程是一个典型的非线性过程，不同非线性机制的相互作用对于放电具有非常重要的影响，理论研究与数值模拟能有助于我们理解放电的机理，从而可以控制和优化放电过程。通过比较数值模拟结果与实验观测，可以对放电过程有更为清晰的了解，从而可以优化已有的实验，使得实验结果更能符合实际应用的要求，以至可以设计出更为合理的实验装置。特别是近几年来，随着计算机技术和数值算法的发展，许多过去无法进行的计算工作现在可以比较容易的开展起来。由于采用了更快更精确的数值算法，对气体放电的数值模拟研究正在这个领域起着越来越重要的作用。

目前在大气压下放电领域所用到的数学模型包括流体模型、非平衡Boltzmann方程、Monte Carlo(MC)模拟、粒子模型(Particle in Cell，PIC)及混合方法等。

流体模型是基于组成粒子种类的浓度、平均速度和平均能量来描述等离子体，并通过解每种粒子的连续性、流量和能量方程组来获取这些宏观量的值。流体模型计算速度较快，二维和三维流体模拟也可以在一个较短的时间内完成，因此流体模型被广泛采用。另外，需要考虑大量反应的多种粒子间的复杂化学过程也可以通过它来模拟。但流体模型不能捕捉到非局部粒子动力学效应，故更适合于高气压放电。

求解Boltzmann方程能精确的描述等离子体的动力学演化，但是其数学处理，特别是多维情况下的数学处理较为复杂，计算较为费时。

Monte Carlo模拟在数学处理上相对简单，也能较为精确的描述等离子体的运动，但是计算工作量较大，尤其是对于等离子体中运动较慢的带电粒子，且存在电场计算不自恰的问题。

PIC 模拟是通过仿真数量相对较少的计算粒子(也称超粒子)，来考察等离子体中带电粒子的集体行为，从而模拟各种粒子的动力学特性。在这一方法中，等离子体的物理性质可以得到保留，每种粒子的动力学特性均可在极小的近似下得以模拟。在PIC 方法中，通常采用Monte Carlo 方法来统计地处理粒子间的碰撞过程，因此它比流体模型能更详细的模拟等离子体中的统计过程。在PIC/MCC 模拟中，可以非常容易的应用各种碰撞的微分截面来分析碰撞过程，同时可以考察边界上二次电子发射过程的能量和角度依赖关系。但PIC/MCC模拟通常需要很长的模拟运行时间。PIC/MCC 方法非常适合于研究低气压放电，这时非局部效应非常重要，粒子浓度低，而且MCC 算法可以较快地得以实现。

3）仿真研究

除了实验研究和数值模拟外，也有人采用其他一些仿真方法进行研究，如华中科技大学的胡辉等运用ANSYS软件对电弧放电等离子体温度场分布和电流密度进行了数值模拟；南京科技大学的章程（现在中科院电工研究所）等采用SIMULINK对介质阻挡放电进行仿真，以及采用可变电阻、齐纳二极管或可控硅开关控制的电阻器来模拟介质阻挡放电的微放电过程，并采用PSPICE等电路仿真软件来实现对介质阻挡放电的仿真等，获得了良好效果。