阻挡介质陷阱特性和混合气体彭宁效应对DBD等离子体均匀性的影响机制

Dielectric barrier discharge (DBD) plasmas are recently applied to many fields. However, two problems that how to realize an atmospheric pressure uniform DBD plasma suitable for practice application and how to judge the uniformity of DBD plasma, are now the difficulty and the focus in the world. In the project, the DBD with parallel plate electrode configuration is regarded as research object (barrier dielectric: machinable ceramics (or the material with different traps), work gas: pure argon, the mixture of argon and a spot of ammonia or ethene). In experiment, the effects of charge trap property of the barrier dielectric and the Penning effect of mixture gas on the particle component and density, discharge voltage and current as well as uniformity of DBD plasma are researched by using the methods of surface micro-analysis and photoelectric combination diagnosis and so forth. Furthermore, a fluid physical model of atmospheric pressure DBD plasma in pure Ar and mixture gas is proposed. The discharge mode transition, the spatial and temporal distributions of charged and neutral particle density as well as space electrical field strength are further obtained under different gases and proportions. Based on experiment and simulation analysis, the mechanism of uniform discharge is in-depth investigated. The aims of this project are to clarify the effect mechanism of trap property and Penning effect on the uniformity of DBD plasma and put forward a new method to generate uniform DBD plasma. This work is to provide technical support for the DBD plasma used to fine surface modification of thin film material and treatment of biomedical cells.

近年来介质阻挡放电(DBD)等离子体技术正逐步应用于诸多领域，然而如何实现适合实际应用的大气压均匀DBD等离子体、如何界定大气压DBD等离子体的均匀性，仍然是目前国内外研究的难点和热点。本项目以平行平板电极结构的DBD为研究对象(阻挡介质：自制可加工陶瓷（或不同陷阱的材料）；气体氛围：纯Ar、Ar与少量NH3或C2H4混合气体)，采用表面微观分析、光电联合诊断等手段，实验研究阻挡介质的电荷陷阱特性和混合气体的彭宁效应对等离子体放电电压、粒子成分、粒子浓度及放电均匀性的影响；建立单一Ar及混合气体氛围中大气压DBD等离子体的物理模型，仿真研究在不同气体种类和气体比例时等离子体粒子浓度、电场强度、放电模式的动态演化过程；进而借助实验及仿真分析探讨均匀放电产生的机理。本项目旨在明确影响DBD等离子体均匀性的物理机制、提出产生均匀DBD等离子体的新方法，为DBD用于薄膜材料精细表面改性和生物细胞处理等提供技术支持。

本项目针对大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)均匀化难度高、内在机制不清晰等核心科学问题，采用实验与仿真相结合的方法探讨了混合气体Penning效应和阻挡介质陷阱参数对DBD均匀性的影响机制研究。建立了基于多物理场耦合理论的大气压DBD数值仿真模型，构建并完善了气体混合、测量以及低温等离子体光电联合诊断平台。(1) 以平板型DBD为对象，实验研究了He DBD的放电特性，获得了丝状、弥散和耦合等放电模式及其相互转化规律，明确了亚稳态He原子对激发态活性粒子(如OH，O等)产生的重要影响，分析了Townsend系数曲率和放电通道相互作用等放电模式转化机制。(2) 发现Ar和He的击穿场强存在显著差异，从数值仿真模型出发，分析认为其原因在于电子碰撞激发反应引起的能量损失。充分利用Penning效应，在Ar中掺入少量NH3，发现Ar/NH3 DBD中存在柱状、弥散、均匀辉光等不同放电模式，获得了Ar/NH3 DBD均匀辉光放电；同时也发现在NH3比例较低(Penning反应不充分)或较高(电负性主导)的情况下，DBD向不均匀过渡；(3) 研究了大气压均匀DBD等离子体的电子密度、光强分布等参数时空演化特性，揭示了He DBD从Townsend向辉光放电转的过程以及DBD辉光结构分区特征，定义了大气压DBD辉光放电阴极位降范围，根据伏安特性判定大气压DBD属于亚辉光放电范畴；(4) 研究了阻挡介质表面本征二次电子发射机制，分析认为材料能带结构和正离子电离能对其产生主要影响，但对放电本身影响较小；测量了氧化铝、氧化锆和可加工陶瓷三种不同材料的表面陷阱特性，发现氧化铝与可加工陶瓷的表面陷阱密度明显高于氧化锆陶瓷，研究几种材料对DBD特性的影响，发现氧化铝和可加工陶瓷更有利于产生均匀放电；(5) 将平板型DBD拓展至同轴型DBD，产生了均匀大气压低温等离子体射流（APPJ）。基于发射光谱，诊断了APPJ的宏观温度、电子温度、电子密度和亚稳态粒子密度等基本特性参数，探讨了Penning效应对APPJ均匀性的影响机制。