基于忆阻器的大气压介质阻挡放电电气模型与动力学行为的稳定性分析

Atmospheric dielectric barrier discharge (ADBD) has abundant non-linear dynamic behavior. Those abnormal behavior can affect its practical applications. However, there is still lack of systematic study on the formation and evolution mechanisms, and the stability of those non-linear dynamic behavior. Memristor is a non-linear circuit element. The I-V curve produced by the memristor with parasitically capacitive devices is rather similar with the one obtained from ADBD, which indicates similar physical properties between those two. Therefore, memristor has the potential to predict the non-linear dynamic behavior in ADBD. The first task of this project is to build a memristor-based electrical model with simple structure, explicit physics and non-linear nature, from the perspective of circuit and system. Utilized this model, the influence of the electric parameters on the non-linear dynamic behavior can be studied. Then, combined the physics-research methods such as high-speed imaging and emission-spectrum interpreting, with the non-linear study method of static point analyzing, the sustaining and shifting mechanisms and the influencing factors to the static working point of ADBD will the studied from the perspective of spatial-temporal level of evolutions. Finally, the stability properties and the influencing factors of the static working point will be analyzed with Poincare Mapping method. The research in this project aims to provide effective modeling and analyzing methods to the stability properties of ADBD, as well as supply theoretic foundation and research methodology to practical applications.

大气压介质阻挡放电（ADBD）中存在着丰富的非线性动力学行为，这些异于常态的放电行为会影响其实际应用效果，但目前在非线性动力学行为的形成和演化机制、稳定性分析等方面尚缺乏系统性研究。忆阻器是一种非线性电路元件，带有容性寄生元件的忆阻器具有与ADBD极为类似的伏安特性，表明两者存在物理本质上的相似之处，从而为ADBD的非线性仿真研究提供了新的思路。本项目首先从电路和系统层面出发，建立基于忆阻器的结构简单、物理清晰、具有非线性属性的ADBD电气模型，研究电气参数对动力学行为的影响规律。然后，结合高速摄像、发射光谱等测量方法和非线性动力学中静态工作点的分析方法，从时空演化层面研究ADBD静态工作点的维持、迁移机制以及参数影响规律。最后，应用庞加莱映射分析方法，研究静态工作点的稳定性及影响机制。本项目可为ADBD的稳定性研究提供有效的建模和分析方法，也可为实际应用提供理论基础和分析手段。

大气压介质阻挡放电（ADBD）中存在着丰富的时空非线性动力学行为，明晰这些行为的产生机制不仅具有重要的科学价值，同时对实际应用也具有指导意义。本项目根据申请书的计划，主要开展了以下研究内容：1、基于忆阻器思路，研究了ADBD产生忆阻器特性的物理机制、ADBD忆阻器的电路模型形式以及影响模型的参数和影响机制；2、系统研究了ADBD的时域不稳定放电现象，包括杂质含量、气隙宽度以及外施电压对时域不稳定放电现象的影响机制，以及时域多电流脉冲放电的调控方法；3、系统研究了ADBD的空间均匀性问题，包括杂质含量、表面形貌、气隙宽度以及电压幅值对放电空间均匀性的影响机制，此外还基于斑图理论对ADBD放电空间均匀性开展了理论分析。通过本项目研究，建立了大气压氦气、氮气、空气等多种气氛下的一维、二维ADBD流体模型，确立了ADBD忆阻器电路模型的基本形式，揭示和明晰了杂质、表面形貌、气隙宽度以及外施电压诸多参数对ADBD时空动力学行为的影响机制，实现了对放电空间均匀性的理论分析并得到了相应的失稳判据。基于项目研究，累计在国内外学术期刊发表论文17篇，其中16篇被SCI收录，累计培养博士1名、硕士9名，主办国际会议1次，在国内外学术会议上或学术机构做大会报告或邀请报告8次。本项目研究的科学意义主要体现在以下两个方面：1、从宏观电路层面上揭示了ADBD的忆阻器特性并给出了初步的电路模型形式；2、基于流体模型从微观层面上揭示了系统各参数对ADBD时空动力学行为的影响机制，此外还应用斑图理论分析了ADBD的空间均匀性，这些都为深入理解和认识ADBD提供了重要的科学依据。