射频和千赫兹驱动的毫米间隙放电的仿真研究.docx

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1、第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备DOI:10.15961j.jsuese.202300996射频和千赫兹驱动的毫米间隙放电的仿真研究宁文军，李荣辉，沈雪明，黄小龙，赵莉华,贾申利(四川大学电气工程学院，四川成都610065)摘要：大气压短间隙放电是产生冷等离子体的一种有效手段，常见的交流驱动电源有射频电源和千赫兹交流电源，但这两种不同频率电源所导致的气隙放电特性对比尚鲜有研究。本文以1mm间隙的针-板电极这一极不均匀电场结构作为放电气隙，将之等效为球坐标系下的1维结构

2、，建立基于迁移-扩散近似下的多组分、局部能量近似的经典等离子体流体模型，仿真研究了13.56MHZ射频(RF)电源或50kHz交流(1F)电源所驱动的1mm氮气(混合0.1%氮气)间隙的放电过程，关注了在ImW和IW这两种不同的沉积能量下的放电特性。结果表明：RF放电在ImW时表现为电量放电模式，此时间隙中的带电粒子密度低，且主要集中在功率电极附近；当沉积功率升高至IW时，间隙放电则呈现出明显的辉光放电特征，电极附近出现鞘层，且气隙中间存在准电中性的等离子体区域；1F放电的起始电压幅值要高于RF,且1F放电随电压升高会较为平顺地从电晕放电模式过渡到辉光放电模式，而不存在明显的转换过程。对两种频

3、率的放电而言，电晕放电模式下，潘宁电离是主要的电离路径；而辉光放电模式下，直接的电子碰撞电离成为主导的电离通道。此外，在相同的沉积功率下，1F放电的最大电子密度、电子温度和正离子温度都要高于RF放电，但时间均匀性较差，呈现出明显的脉冲放电特性。关键词：大气压低温等离子体；气体放电；间隙击穿；等离子体模拟中图分类号：TM851：0539文献标志码：A文章编号：209&3246(2023)04-0038-09Simu1ationoftheDischargesinMi11imetreGapDrivenbyRadio-frequencyandKi1ohertzACVo1tagesNINGWenjun,

4、11Ronghui,SHENXueming,HUANGXiao1ongZHAO1ihua,JIAShen1i(Co11egeofE1ectrica1Eng.SichuanUniv.,Chengdu610065.China)Abstract:Atmosphericpressureshort-gapdischargeisaneffecivemeansogenera1eco1dp1asma.CommonACdrivingpowersourcesinc1udetheRFpowersupp1yandthekHzACpowersupp1y,butthecomparisonoftheairgapdischa

5、rgecharacteristicscausedbythesetwodifferentfrequencypowersourceshasbeenrare1ystudied.Inthispaper,thenon-uniformfie1dstructureofanImmneed1e-p1ategapwastakenasthedischargestructure,whichwasapproximatedasaone-dimensiona1mode1inthespherica1coordinatesystem.Ac1assica1p1asmaf1uidmode1basedonmu1ticomponent

6、and1oca1energyapproximationunderthedrift-diffusionapproximationwasestab1ished.Thedischargeprocessof1mmhe1ium(mixedwith0.1%nitrogen)gapdrivenbya13.56MHzradiofrequency(RF)or50kHzAC(1F)powersupp1ywassimu1ated.Thedischargecharacteristicsunderthe1mWandIWdepositionenergieswerestudied.Theresu1tsshowedthatt

7、heRFdischargemodewascoronadischargeatImW.echargedpartic1esinthegaphada1owdensityandmain1yconcentratednearthepowere1ectrode.Whenthedepositionpowerincreasedto1W.hegapdischargeshowedobviousg1ow-dischargecharacteristics,thesheathappearednearthee1ectrode,andtherewasaquasi-e!ectrica11yneutra1p1asmaregioni

8、nthemidd1eofthegap.Theignitingvo1tageamp1itudeof1FdischargewashigherthanthatofRF,and1Fdischargewou1dtransitionfromthecoronadischargeinodetoIheg1owdischargemodesmooth1ywithoutanyobviousconversionprocesswhenincreasingthevo1tage.Forthesetwokindsofdischarge,penningionizationwasthemainionizationpathunder

9、thecoronadischargemode.Whi1ethedirect收稿日期:2023-09-15基金项目:国家自然科学基金项目（51977085）；中央高校基金科研业务费（YJ202370）作者简介:宁文军（1987），男，副研究员，博士.研究方向：气体放电低温等离子体.E-mai1：ningwj*通信作者:赵莉华，副教授.E-mai1：IyOrika网络出版时间:2023-06-2813:21:43网络出版地址:hsHkcms2deai151I773.TB.20230626.1542.006.hm1h（tp:/e1ectronimpactionizationbecamethedomi

10、nantionizationchanne1undertheg1owdischargemode.Inaddition,underthesamedepositionpower,themaximume1ectrondensity,thee1ectrontemperatureandthepositiveiontemperatureofthe1FdischargewerehigherthanthoseofRFdischarge,butthetempora1uniformitywaspoorer,showingobviouspu1sedischargecharacteristics.Keywords:at

11、mosphericpressure1owIemperaiurcp1asma:gasdischarge:gapbreakdown:simu1ationofp1asmas大气压低温等离子体(a1mosphericpressureIowtemperaturep1asmas,AP1TP)在生物医学u”】、材料处理网、表面改性、环境化工等诸多领域展现了广阔的应用前景，是高电压新技术学科的热点研究方向之一。面向特定的等离子参数调控和应用需求，APErP的驱动电源一般包括脉冲电源、微波电源、千赫兹交流电源和射频电源等网。其中，微波电源驱动的AP1TP具有较高的能量沉积效率，等离子体密度一般较高，但由于需要波

12、导传输，其生成装置相对复杂；脉冲AP1TP能够兼顾高等离子体密度、高功率密度和低气体温度(可接近室温)等特性，适用于生物医学和热敏感材料处理等应用，但脉冲电源成本较高；千赫兹电源和射频电源同为交流电源，其制造技术成熟、成本低廉，是实验室和工业广泛使用的APUTP电源形式。这两种电源驱动的AP1TP可用于相同的应用，比如Zhao等用13.56MHZ射频源驱动等离子体刻蚀光刻胶，而Wang等则用千赫兹交流源产生AP1TP刻蚀光刻胶，两种方法皆具备良好的刻蚀效果。但另一方面，Kim等”对比研究了射频(13.56MHz)和低频(5OkHZ)驱动的大气压等离子体射流，发现低频射流的长度要远大于射频情况，

13、且前者的温度要显著低于后者。MOOn等“2】探究了驱动源频率(1.8627.1MHZ)对氮气容性耦合等离子体(capacitive1ycoup1edp1asma,CCP)参数的影响，发现频率升高后间隙击穿电压与峰值电子密度皆下降。虽然两种频率驱动AP1TP有类似应用，但对等离子体产生机制和分布特性差异的认识仍有限。一般而言，大气压毫米间隙的放电符合汤淼放电理论，即放电的起始和传播特性取决于气体的汤森电离系数和电极表面二次电子发射系数Y。在平行板电极等均匀场结构中，Shi等网建立流体模型，预测大气压亳米间隙射频放电为辉光放电，且存在模式(低电压)、V模式(高电压)以及两者之间的过渡模式。在模式时

14、，弥散的微弱放电充斥整个间隙，放电与电极表面的二次电子发射系数几乎无关；Y模式下，放电强度显著增强，聚集在电极附近，且放电特性明显受到二次电子发射系数的影响。在此基础上，Sakiyama等探讨了针-板电极等非均匀场结构的大气压射频放电，认为存在低功率的电晕放电模式和高功率的辉光放电模式。这两者的转换与Shi等I提出的a-Y转换有诸多类似之处，包括沉积功率增加、鞘层收缩、放电区域收缩等。上述文献探讨了射频放电的特性，但并未涉及实际应用中另一类常用的IOkHZ频率量级的交流放电。这也是本文的研究动机之一。考虑到针-板电极这种非均匀场结构更具实际代表性，本文将沿用Sakiyama等的对放电模式的定义

15、。此外，为了观察针-板间隙放电的空间演变，一般需要采用2维模型。然而，2维模型的计算量往往较大。在考虑经典的针-板放电结构时，一种较好的模拟方法是将其用1维的球模型近似，从而将2维轴对称结构简化为球坐标系中的1维结构【。因此，本文建立1维等离子体流体模型，分析了13.56MHZ和50kHz产生AP1TP的物40工程科学与技术第55卷表1模型包含的反应过程1电39Tab.1Reactionprocessesinc1udedinthemode1,5,91序号反应式速率常数VR1HeeHee施）R2He+eHe-+e施）19.8R3Hc+eHe*+2e加）24.6R4He*+eHe+2e4.8R5He.+2HcHe.He210-(m6s-)R6He4+2HeHe;J4e1.1x1()4WR7He,2He1.01O4Zs1R82He,He;.e1.5x10-15/(m3s-)-17.2R92HeHe.21e1.51015(m3s1)-13.8R1OHe；fe-He+He8.910-15(7e7g)-.s(ms-1)R11He.Ztte、