基于 CFDRC 的感应耦合等离子体离子数密度空间分布仿真

为研究感应耦合等离子体(ICP)沉积装置放电腔与线圈结构以及工艺参数对等离子体分布的影响,基于商业软件CFDRC中等离子体与电磁场模块建立了ICP沉积装置2维放电模型。在典型的ICP反应器中,等离子体反应主要由电子、重粒子间的碰撞来决定。利用不带电的流体模型求解分子、原子和基团等中性粒子的动量和质量守恒方程,而对离子带电粒子,考虑电场力的作用来求解动量方程;电子通量密度的计算是通过求解漂移扩散近似方程而获得的。通过此方法仿真研究了典型工艺条件下(气压0.25 Pa,功率90 W,体积流量120 L/s)等离子体离子数密度的空间分布,对比了不同功率(20、60、90、150 W)、不同抽气体积流量(60、100、140、160 L/s)条件下放电腔内ICP等离子体参数的变化规律。模拟结果表明:离子数密度随体积流量的增加而大幅度增加,随功率的增加而缓慢增加;空间离子数密度峰值出现在放电腔中心区域,随体积流量的增大而逐渐下移。     

射频放电等离子体气动激励特性的实验研究

为了提高等离子体气动激励的强度及流动控制的能力,实验研究了射频放电等离子体的气动激励特性。建立了射频放电等离子体气动激励实验系统,由射频信号发生器、阻抗匹配升压变压器、尖–尖电极等离子体激励器等组成。尖–尖电极等离子体激励器由一组对称的电极和固定装置组成,电极材料采用钨,固定装置材料采用胶木,固定之后电极间距为0.5 mm。在静止空气条件下进行实验,研究了射频放电等离子体的电特性和诱导流动特性。实验结果表明:气压变化时,等离子体激励器的阻抗会发生变化,耦合到等离子体激励器的输入功率也不同;在大气压下,由于射频放电存在快速加热作用,在静止空气中诱导产生了近似圆柱形的冲击波;冲击波首先以音速向外传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动;采用射频电源、重频脉冲直流电源、ns脉冲电源,均能在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波波速接近音速。由于射频电源的体积、重量更小,实现阻抗匹配之后所需的电源输入功率最低,因此,射频放电是一种非常有前景的气动激励产生方式,在等离子体流动控制方面可能取得较好的效果。     

低风速下射频等离子体的辉光放电特性

为研究射频等离子体辉光放电特性与风速、气压之间的关系,以等离子体风速传感器为研究背景,建立了射频等离子体辉光放电实验系统,研究了激励器在不同放电间距(0.05 mm和0.08 mm)、不同来流速度(0~45 m/s)、不同电源输出功率(10 W和20 W)和不同气压(50~100 k Pa)下的放电特性。结果表明:电极间距越小,射频等离子体辉光放电稳定性越高;在固定的电源输出功率和工作频率下,发现了激励器负载电压与来流速度关系的3个阶段:电极过热阶段、线性阶段和放电不稳定阶段;在不同的电源输出功率下,对应不同的风速范围,激励器负载电压与风速具有良好的线性关系;在亚音速气流对应的静压(总压为大气压)范围内,射频等离子体辉光放电对气压变化不敏感。     

近大气压DBD氧等离子体化学反应效能

大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)氧等离子体发生模块是高级氧化水处理技术中的重要组件,其等离子体化学反应效能直接影响实际应用中的处理效率。通过测量大气压DBD氧等离子体发生模块在不同工作气压下的放电参数及活性氧粒子产生浓度,探究了工作气压对氧等离子体化学反应效能的影响。结果显示,工作气压的降低使得氧等离子体反应模块的等效电容与放电气隙的折合场强度增强,导致在施加不同功率时,模块表现出不同的放电特性与等离子体化学反应效能。当电源功率低于150 W时,活性氧产生效能随工作气压降低而增大,当电源功率在175~250 W范围内时,活性氧产生效能随工作气压的降低先增大后减小,当电源功率高于275 W时,活性氧产生效能随工作气压降低而减小。工作气压降低时活性氧最高浓度减小,当工作气压为60、70、80、90和100 k Pa时,活性氧最高质量浓度分别为127.3、143.1、149.7、152.1和157.7 g/m~3。为使活性氧产生效能最大,需根据实际状况不同,采用不同的电源功率,使活性氧发生模块处于最佳工作状态。     

平面线圈电磁耦合的沿面DBD气体放电加速诱导气流的实验研究

为了提高典型沿面DBD平板激励器诱导气流速度,通过实验研究了典型DBD平板激励器表面的磁场分布,提出了在DBD平板激励器的上、下电极之间夹进平面线圈,运用电磁耦合原理增强等离子体激励器放电效果,从而加速DBD等离子体诱导气流的方法。探究了不同结构参数的电感线圈产生的电磁耦合作用对大气压下平板式DBD等离子体激励器放电加强的效果,以及夹进平面线圈后加载电源的电压和频率对DBD放电的影响,并利用粒子图像测速技术测量了电磁耦合作用下典型DBD等离子体诱导气流流场,考察了其中电磁耦合对加速诱导气流的作用。实验结果表明,运用电磁耦合作用可在一定程度上增强等离子体激励器的放电效果,一些电感线圈产生的电磁耦合作用可显著改善DBD等离子体诱导气流的连续性和加厚流场区域。     

微型射频离子推力器放电等离子体全局模型仿真研究

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.该文建立了多软件联合仿真的射频离子推力器放电等离子体全局模型,对所设计放电室内径为40mm的微型射频离子推力器开展了包含电磁场、温度场、电路、等离子体化学反应的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数及推力器性能参数随输入功率、屏栅电势、工质流量及射频频率等因素的变化规律.结果表明,所建立的全局模型计算结果与实验数据吻合良好,输入功率、屏栅电势、工质流量是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好基础.     

大气压射频微等离子体放电结构演化的粒子模拟

大气压射频微等离子体放电具有较大的潜在应用价值,但实验研究较困难。为此借助于粒子模拟的方法,在给定的放电间隙下,研究了电流密度及二次电子发射系数(SEEC)对射频微等离子体的放电结构的影响。模拟结果表明,随着输入电流密度的增大,放电空间逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电结构,电子密度也会随之增大,鞘层电场逐渐增强,同时电子能量概率函数(EEPF)曲线会随之整体向上偏移;而在给定的电流密度下,随着SEEC的增大,放电结构也会逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电的结构,电子密度会随之增大,同时鞘层电场会逐渐变小,高能电子(20 eV)比例也随之减小。最后分析了在大间隙下出现鞘层主导结构的可能性。     

封闭式等离子体发生器设计及其放电等离子体参数分布实验研究

为满足飞行器典型部件隐身需求,针对等离子体隐身技术应用中存在的在低空开放环境下不易产生和维持的问题,设计了一种封闭式的等离子体发生器。使用μs脉冲电源,以氩气为工作气体,在低气压下进行了放电实验。利用发射光谱法,研究了电子温度和电子密度在密闭腔体内部的分布规律。等离子体电子温度变化采用Boltzmann曲线斜率法进行分析,等离子体电子密度的变化通过分析Ar 750.38nm谱线强度变化得到。实验发现:放电电压对于电子密度的影响较为强烈,而对于电子温度影响相对较小。无论从腔体X轴还是Y轴出发,都可以看出其电子温度总体上呈现下降趋势,而电子密度逐渐增加。而且由于进气口和真空泵接口的位置分布产生的气压梯度原因,2个参数的变化在X轴向上都表现得更为强烈。     

大气压CO_2/Ar混合气体射频放电光学特性研究

脉冲调制射频具有调制频率、占空比、输入功率等多种可调参数,可以较大范围地调节放电等离子体参数,因此其放电特性与传统交流或直流放电相比具有独特的特点。该文研究在大气压条件下13.56MHz射频电源系统激励的CO_2/Ar气体放电光学特性,主要考察了不同调制参数以及气体组分对等离子体羽流、发射光谱强度以及电子激发温度的影响。研究结果表明,改变射频调制参数可以明显调控上述光学特性:增加输入功率、占空比,或者降低调制频率和CO_2含量,可以增大等离子体羽流长度和电子激发温度;其光谱主要包含OH(A→X)、 N2(C→B)、 Ar(4p→4s)、 O(3p→3s)、C(1p-1s)、C2 swan谱带等,且均随着输入功率的增加和CO_2含量的降低而明显增强。所做研究为射频放电等离子体技术提升CO_2资源化利用效率提供更多的选择。     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.     

Plasma coal reprocessing

Results of many years of investigations of plasma-chemical technologies for pyrolysis, hydrogenation, thermochemical preparation for combustion, gasification, and complex reprocessing of solid fuels and hydrocarbon gas cracking are represented. Application of these technologies for obtaining the desired products (hydrogen, industrial carbon, synthesis gas, valuable components of the mineral mass of coal) corresponds to modern ecological and economical requirements to the power engineering, metallurgy, and chemical industry. Plasma fuel utilization technologies are characterized by the short-term residence of reagents within a reactor and the high degree of the conversion of source substances into the desired products without catalyst application. The thermochemical preparation of the fuel to combustion is realized in a plasma-fuel system presenting a reaction chamber with a plasmatron; and the remaining plasma fuel utilization technologies, in a combined plasma-chemical reactor with a nominal power of 100 kW, whose zone of the heat release from an electric arc is joined with the chemical reaction zone.     

等离子清洗技术

环境污染控制，人员劳动保护，技术应用，在高密度电子组装、精密机械制造中，湿法清洗工艺日渐局限，干法清洗的机理及应用研究日趋紧迫，等离子体清洗技术在干法清洗中优势明显。文章的主要内容是等离子体清洗的机理及低温等离子体技术清洗的工艺。     

大尺度磁分散电弧等离子体位形的静电探针诊断

磁旋转电弧可以产生大面积均匀等离子体:磁分散电弧等离子体。利用快速移动水冷静电探针对大气压氩弧磁分散电弧等离子体进行了诊断,得到发生器弧室内的电子温度分布、电弧位形以及等离子体波动等信息。诊断结果表明:等离子体弧柱区呈圆盘状,并在轴向有较大扩张,弧柱区下游等离子体波动较大,为等离子体云与冷气团混合所致。将探针诊断结果与采用热力学平衡模型的数值计算结果比较,发现2者具有相似的等离子体位形,但实验测量得到的电子温度更高,等离子体分布范围更广。分析认为,这种差异可能是等离子体偏离局域热力学平衡和等离子体的不稳定性造成的。     

非平衡等离子体燃烧强化

为了引起我国对非平衡等离子体燃料强化技术研究的重视并促进该技术的发展,介绍了脉冲电晕放电和介质阻挡放电产生的非平衡等离子体对燃料或者可燃混合气活化作用的基本原理和特点,综述了国内外研究现状,并展望了其应用前景。     

大气压非平衡等离子体射流

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)的显著优点是可以在开放空间内而非狭窄放电间隙内(如介质阻挡放电)产生非平衡等离子体,APNP-Js已成为低温等离子体应用领域的1项新型关键技术。为此,首先从驱动电源的角度出发,分别介绍了直流、交流、射频、微波、脉冲和双电源驱动的几种典型APNP-Js。其次比较了不同电源驱动的APNP-Js特性,发现在消耗功率相同的情况下,脉冲驱动模式下的APNP-Js长度更长,APNP-Js推进速度更快,活性粒子数密度更高,而气体温度则保持在常温。再次进一步分析了电源参数对APNP-Js的影响,1随着频率从1 Hz上升至射频范围,APNP-Js长度总体变短,APNP-Js推进形状由"等离子体子弹"转变为连续柱状;2随着脉冲上升沿从几μs降低至50 ns,不仅APNP-Js推进速度加快,而且APNP-Js长度增加,电子温度更高,活性更强;3通过比较正负极性电压驱动的APNP-Js特性,发现负极性APNP-Js长度更短,APNP-Js推进速度更慢,射流携带电流更小,但等离子体通道中电场强度更高。最后讨论了驱动电源特性与APNP-Js参数之间的关系,并对APNP-Js面临的一些关键问题和发展方向进行了展望,如利用最少的电源功率来驱动APNP-Js以获得最高的活性粒子数密度、电源输出能量耦合进等离子体后如何分配优化等。     

等离子体法去除甲醛的实验研究

为了去除甲醛对大气环境的污染,分析了等离子体技术去除甲醛气体的机理,包括电子与污染物分子的直接碰撞和电场产生的活性粒子与污染物分子间发生的一系列化学反应2部分,以陶瓷环为钛酸钡和亚硝酸钠铁电体材料为载体实验研究了用高频交流电晕放电等离子体处理甲醛气体的技术。实验参数为高频交流电压8-12 kV,气流速度35-70 mm/s。实验结果表明,高频交流电晕放电等离子体技术可去除甲醛气体;增加电压,减小气体流速都能提高甲醛的去除率,钛酸钡填料的处理效果好于亚硝酸钠填料,且都优于无填料的处理效果。     

等离子体技术应用

角反射器由于其内部的多次反射其具有空间宽角度的散射特性.文中从减缩机理和仿真分析的角度,分析了等离子体的产生、生命周期、反射、吸收和频移等特性,结果表明等离子体在实际应用中具有工程应用价值.