大气压射频辉光放电等离子体中电磁流体力学多场耦合效应的研究

大气压射频辉光放电等离子体源在薄膜沉积、刻蚀、微生物诱变育种、消毒灭菌、生化清洗等领域具有广阔的应用前景。在大气压射频辉光放电等离子体中，电子与重粒子间频繁的碰撞过程所引起的能量和动量交换以及气体的宏观运动会对等离子体温度及其中各种粒子浓度的空间分布、进而对等离子体的产生和稳定维持产生显著的影响，这是其不同于低气压下处于宏观静止状态的辉光放电等离子体的突出特点。就大气压射频辉光放电等离子体中电、磁、热及流体力学多场耦合效应进行研究，具有重要的学术价值和实用意义。本项目拟采用实验研究和数值模拟相结合的手段对此开展较为系统性的研究，包括大气压射频辉光放电等离子体电特性、放电区光谱结构、等离子体射流区温度、速度、活性粒子浓度分布的测量，描述大气压射频辉光放电等离子体特性的物理－数学模型的建立及求解等。通过数值模拟和实验研究，揭示大气压射频辉光放电等离子体中电磁流体力学耦合效应对其特性的影响规律。

大气压条件下等离子体中电子与重粒子间频繁的碰撞过程以及气体的宏观运动将会对等离子体体系中的质量、动量和能量交换过程以及温度和粒子浓度的时空分布产生显著的影响。本项目以采用裸露金属电极结构的大气压射频辉光放电等离子体发生器为主要研究对象，系统研究了大气压条件下射频辉光放电的机制以及等离子体放电区和射流区的特性。.在数值模拟研究方面，本项目建立了描述大气压射频辉光放电等离子体放电区物理化学过程的一维、非稳态物理数学模型和描述等离子体射流区物理化学过程的二维、稳态物理数学模型，发展了相应的计算机程序代码。数值模拟结果表明：在放电区通过控制电源的输入功率或放电的电流密度，可以有效地控制气体放电的雪崩效应，从而获得较低电子数密度下的高度热非平衡等离子体，这是射频辉光放电能够在大气压条件下产生和维持高度非热平衡状态等离子体的一个重要原因；由于气体的流动会使得放电区的气体温度降低，但其对放电击穿电压的影响很小；等离子体发生器的几何结构亦会对放电区等离子体温度和活性粒子浓度的时空分布产生明显的影响。而在射流区，气体流动会对射流区等离子体温度和活性粒子浓度分布产生显著影响；由于电子的复合反应速率远大于其电离速率从而使得射流区带电粒子浓度沿气体流动方向迅速降低，在距离发生器出口一定距离（如2-5 mm）内主要的化学活性粒子为氦二聚物的亚稳态粒子。.在实验研究方面，测量了大气环境中氩及氦—氩混合气体射频辉光放电等离子体的发射光谱特性和电子激发温度，得到了不同工况下等离子体的鞘层厚度和电子激发温度；基于等离子体的介电特性，建立了描述等离子体区域的“电阻-电容混联”等效电路模型，通过测量放电的伏安特性曲线，并基于该等效电路模型计算得到了放电过程中等离子体发生器的等效阻抗以及电子数密度随放电电流的变化规律。研究了等离子体工作参数（如射频电源输入功率、等离子体工作气体流量）及外界环境（如屏蔽罩、基板）对氩等离子体射流中氩原子696.5 nm谱线强度的空间分布规律。由实验测量得到的等离子体放电的伏安特性曲线和等离子体的气体温度与数值模拟结果符合良好。.本项目研究建立了大气压射频辉光放电等离子体特性研究的实验平台和数值模拟平台，获得了有关大气压射频辉光放电机制以及等离子体中电磁流体力学耦合特性的一系列重要研究结果，这对于推动大气压射频辉光放电等离子体的理论研究和实际应用具有重要的意义。