谐波驱动大气压介质阻挡放电关键等离子体参数定向优化及选择性调控特性研究

Directed optimization and independent control by modulation of tailored voltage waveform is an up-to-date innovative technology in low-pressure plasma discharge field. To further develop the technology into atmospheric pressure dielectric barrier discharge plasma field will exhibit important scientific significance for promoting the development of atmospheric plasmas applications prospect. In this project, combining the previous research results, theoretical analysis, numerical simulations and experimental diagnoses, we propose to study the key plasma parameters (electron density, gas temperature and electron energy distribution) modulation characteristics and analysis methods of external control parameters (number of harmonics, fundamental frequency and phase shift), ascertain the functional rule and interdependent relationship between plasma parameters and applied driving source parameters, reveal the microscopic physical mechanism of diverse physical effects and acquire the basic strategy for the modulation method. These results will also provide scientific basis for the research and development of key technologies of atmospheric plasma modulation.

采用谐波驱动调制技术，对放电等离子体参数进行有效调控是近年来在低气压放电等离子体领域发展起来的创新性技术，将这一技术推广到大气压介质阻挡放电领域，对推动大气压等离子体实际应用具有重要的科学意义和应用价值。本项目围绕大气压介质阻挡放电关键等离子体参数（电子密度、气体温度、电子能量分布）定向优化及选择性调控特性这一关键科学技术问题，拟在前期研究基础上，采用谐波驱动调制技术，开展以外施参量（谐波数、基波频率、相位角）作为控制变量的大气压介质阻挡放电关键等离子体参数调制特性研究。通过理论分析、数值模拟及实验诊断相结合，明确外施参量与放电等离子体参数间的相互依赖关系，掌握外施参量对放电等离子体参数的作用影响及调控规律，揭示谐波驱动过程中不同物理效应对关键等离子体参数的调控机制，提出大气压介质阻挡放电关键等离子体参数定向优化及选择性调控的控制策略，为推广大气压等离子体应用关键技术提供科学依据。

大气压非平衡低温等离子体调制技术是一种在开放大气压环境下实现等离子体参数可调的新兴放电技术，经过几十年来不断的研究发展，目前已成为国际上等离子体科学技术与应用的研究热点之一。探索不同放电系统中关键等离子体参数的定向优化及选择性调控一直是等离子体科学技术所追求的目标。在诸多的大气压放电系统中，介质阻挡放电（Dielectric barrier discharge，DBD）以其独特的技术优势和较宽的等离子体参数范围备受学术界和工业界的广泛关注。作为一种典型的非平衡态气体放电过程，DBD产生的等离子体具有密度高、宏观气体温度低、富含大量化学性质活跃的准分子和自由基，如OH、O、NO等，这些活性粒子数量大、种类多、活性强，更易于和所接触的待处理物表面发生反应，可达到其它传统方法难以实现的处理效果，被广泛应用于臭氧生成、材料表面清洗改性、等离子体光电晶体等领域。特别地，在生物组织结构与恢复、微生物诱变育种、废水废气处理、食品安全处理、细菌病毒的灭活等领域都展现出了独特的技术优势和良好的应用前景。谐波驱动调制技术为大气压非平衡低温等离子体参数调控提供了更多的控制与优化关键等离子体参数的手段，特别是为其参数独立提供了可能，是一种正处于探索发展中的创新性技术。本项目通过数值仿真与实验研究相结合的方法，围绕课题研究目标，对谐波驱动调制下的等离子体产生及演化过程、谐波数、相位调制及驱动频率对等离子体重要参数的影响进行了深入研究，归纳总结了施加谐波源参数的基本原则，获得谐波驱动调制技术对关键等离子体参数的影响规律，进而总结大气压非平衡低温等离子体参数调制的一般实现方法，为进一步研究及应用奠定基础。