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文献综述
一．课题背景
介质阻挡放电(DBD)能够在大气压下产生大体积、高能量密度的低温等离子体,在工业产上具有广阔的应用前景,因而对DBD的放电机理和特性研究成为近年来国内外研究中的热点问题之一。计算机和数值模拟技术的发展使得可以用仿真手段研究DBD的放电机理和特性。产生等离子体的方法多种多样，但与其他方法相比，介质阻挡放电有着实验操作简单，装置便利，更换样品快捷等无法比拟的优点，目前在实验室和工业应用上更受青睐。目前,DBD研究可分为放电基础研究和应用技术研究。DBD的放电基础研究主要集中在产生大气压均匀放电的机理、条件和方法。迄今为止,只有氦气和氮气两种气体中可以实现大气压下均匀放电,并且前者为亚正常辉光放电;后者为汤森放电。对于最具工业化应用前景的大气压空气放电,若不能大幅度地降低其高达30kV/cm的击穿场强,不可能实现均匀放电。DBD的应用技术研究主要集中在DBD等离子体源在大规模工业化生产中的应用。迄今为止,DBD产生臭氧和作为等离子体显示光源是两个最为成功的范例,技术已经比较成熟,下一步努力的方向只是进一步提高能量效率。目前,利用DBD进行灭菌消毒、废气处理、材料表面改性等是研究的热点,对于这些技术的工业化应用而言,还有许多问题尚待解决。
二．DBD的国内外发展现状
1988年,日本Sophia大学Okazaki等研究人员通过实验提出了在大气压下获得稳定辉光放电等离子体的3个条件:(1)利用氦作为稀释气体;(2)采用kHz频率的电源;(3)在电极板上覆盖绝缘介质。1993年,Okazaki等人用一个50Hz源实现了大气压下空气、氩气、氧气和氮气中的稳态辉光放电,并提出用电流脉冲波形和电压电荷的李萨近年来法国的F.Massines等人对大气压辉光放电通过电测量、短曝光时间照相、数值模拟等手段进行了理论和实验多方面的研究。由于使用了曝光时间低至5ns的CCD相机,可以很方便地进行辉光放电和丝状放电的比较研究。他们还发现在放电电流极性转变大约2μs之后,有一个电流的小增加,他们称之为剩余电流峰,并将其作为5kHz以上大气压辉光放电的特征。另外他们还提出了引起辉光放电和丝状放电之间放电,这些亚稳态原子的密度主要取决于它们产生和消亡的速率。
2003年MichaelG.Kong等人用一维的流体力学模型分别模拟计算正弦、截顶正弦、去尾正弦和高斯衰减正弦激励电压波形等离子体的电子密度。通过比较发现使用合适的激励电压波形能够降低等离子体的能耗而不减弱等离子体密度。等离子体的外加电源激励频率范围为5kHz-100kHz,纯氮DBD则为2kHz-705kHz。这为商用等离子体设备设计提供了参考参数。近年来国内很多学者从事理论模拟研究,得出一些很有意义的结论。2002年清华大学的王新新等人在实验基础上提出对Roth离子捕获理论的质疑,通过数值模拟的方法他们得出结论:对于大气压下长度不小于5mm的空气间隙如果不能设法降低放电场强将不可能获得辉光放电。2003年大连理工大学的王艳辉等人通过一维流体模型计算了电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布,以及绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化。从理论上对氦气介质阻挡大气压辉光放电的物理机理进行研究,分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均匀大气压辉光放电性质的影响。2005年大连理工大学的张远涛等人通过数值求解双流体方程,在均匀的初始条件下模拟了大气压下丝状放电的整体时空演化。研究发现,在丝状放电的时空演化过程中,各条放电通道在不同位置相继发生击穿,且放电通道有遍历整个放电空间的趋势。研究还表明,介质表面电荷是影响丝状放电整体时空演化的关键因素之一。
对等离子体的数值模拟起源于上世纪五、六十年代，这些早期的工作利用流体模型来对电容耦合放电进行零维(处理体平均或参量均匀分布的纯等离子体化学模型)或一维的数值模拟。由于当时计算机资源相当有限，重点主要放在通过研究基本等离子体物理来确认和改进建模技术上，而对于开发能模拟不同等离子体反应装置、较为全面的等离子体模型仅仅是一种预想。但正是由于这些早期工作的成功，伴随着计算机普及和性能的提高，考察详细化学过程的两维和三维模型在上世纪九十年代得以成功开发，这恰好与电感耦合等离子体装置的出现在时间上是一致的。当时，能表征电感耦合等离子体装置许多方面特征的、较全面的流体和混合等离子体模型得以开发来帮助设计和优化半导体工业中的这一新等离子体处理过程。仅限于一维模型的粒子模拟主要用于平行平板放电，但它帮助我们加深了对电容耦合放电过程中的非局部效应的理解。结合统计碰撞，粒子模拟中的有界模型和高效计算技术在上世纪九十年代中期得到发展。近年来，粒子和混合模型得到了持续的改进，已被用来模拟大量的等离子体系统。
三．DBD涉及的知识领域
1.低温等离子体是一个呈现集体运动特性的带电粒子的复杂系统，对其进行数值模拟通常较为复杂，它涉及到解中性粒子和带电粒子的动力学方程、辐射传输方程、麦克斯韦方程组，需考察大量的体积和表面反应，需要同时且自恰地满足不同的时间和空间尺度分辨率。
2.击穿理论-在大气压条件下，大多数在DBD中的击穿是以微放电形式产生的。间隙击穿的机理有两种，一种是汤逊理论，另一种是流注理论。二者适用范围不同，一般nd较小时，气体击穿是汤逊放电；nd较大就是流注放电。
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