戶玎嵐，楊蘭蘭（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096）

大氣壓等離子體射流APPJ（Atmospheric Pres?sure Plasma Jet）是近年來(lái)興起的一種新的低溫等離子體產(chǎn)生技術(shù)，是目前國(guó)際上等離子體放電科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。APPJ因具有無(wú)需真空系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，可控性好，成本低廉，低溫，產(chǎn)生的活性粒子平均濃度高等優(yōu)點(diǎn)，在材料表面處理［1-2］與生物醫(yī)學(xué)［3-4］等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

大氣壓低溫等離子體射流是采用特殊電極結(jié)構(gòu)，利用氣流和電場(chǎng)的作用使放電區(qū)域產(chǎn)生的等離子體從噴管或孔口中噴出，形成大氣壓非平衡等離子體射流，然后利用其產(chǎn)生的各種自由基、帶電粒子、紫外線等共同作用在被處理物上，從而得到各種所需的處理效果。因此，它的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)噴射氣流和等離子體放電機(jī)制及特性的理解和把握。在實(shí)際應(yīng)用中，射流長(zhǎng)度在很大程度上限制了AP?PJs的應(yīng)用，因此研究影響大氣壓下射流等離子體放電長(zhǎng)度的不同因素并系統(tǒng)地分析其作用機(jī)理對(duì)于提高射流放電的可控性增強(qiáng)適用性具有重要的意義。目前已有諸多學(xué)者對(duì)大氣壓下射流放電長(zhǎng)度的影響因素進(jìn)行了研究。華中科技大學(xué)的盧新培教授課題組采用射頻電源和針孔射流管產(chǎn)生了11 cm的氦氣射流體并采用ICCD拍攝光譜對(duì)其放

項(xiàng)目來(lái)源：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012737）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61271053，50907009）

本文基于COMSOL軟件建立了等離子體射流器件的二維軸對(duì)稱模型，求解了不同電極結(jié)構(gòu)對(duì)等離子體射流電勢(shì)及電場(chǎng)分布的影響，該電場(chǎng)參數(shù)對(duì)等離子體射流的特性有較大的影響。

1 結(jié)構(gòu)模型

本文所研究的射流器件的幾何結(jié)構(gòu)，如圖1所示，模型尺寸AB=CD=8 cm，BC=AD=2 cm，BK=3.9 cm，BE=EF=FG=IH=0.1 cm，JI=0.2 cm。其中BELK是針電極，上面施加6 kV的電壓，F(xiàn)GHI是管壁，設(shè)置成石英硅的參數(shù)，整個(gè)區(qū)域內(nèi)充滿了氬氣。AD和CD接地，BC采用Neumann邊界條件封邊。

圖1 射流器件幾何結(jié)構(gòu)

本文對(duì)3種電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，分別如圖2所示：（1）只有針電極；（2）針電極+環(huán)電極（壁上），環(huán)電極的長(zhǎng)度有0.1 cm，0.2 cm，0.3 cm，0.4 cm共4種尺寸；（3）針電極+環(huán)電極（壁外），環(huán)電極距壁的距離有0.1 cm，0.5 cm，1 cm共3種尺寸。

圖2 3種不同的電極結(jié)構(gòu)示意圖

2 模擬結(jié)果

2.1 針電極

圖3、圖4分別為只有針電極的時(shí)候的電勢(shì)及電場(chǎng)分布圖?？梢?jiàn)，整體趨勢(shì)是電勢(shì)隨著與針電極距離的增大而降低，越接近針電極的電勢(shì)分布越密，即場(chǎng)強(qiáng)越大。在針電極上施加6 kV的電壓時(shí)，電場(chǎng)最大值為37.442 kV/cm，位于針電極靠近壁的尖端出，實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)射流器件的放電通常由此處引發(fā)，如圖5所示。

圖3 電勢(shì)等值線分布圖

圖4 電場(chǎng)分布圖

圖5 起始放電實(shí)驗(yàn)圖

2.2 針電極+環(huán)電極（壁上）

環(huán)電極長(zhǎng)度不同時(shí)的電勢(shì)及電場(chǎng)分布圖分別如圖6和圖7所示，由圖可知，環(huán)電極的出現(xiàn)對(duì)周圍的電勢(shì)及電場(chǎng)產(chǎn)生了影響，環(huán)電極周圍的電場(chǎng)變大，且最大場(chǎng)強(qiáng)也發(fā)生了變化，如表1所示。

表1 環(huán)電極距壁不同距離對(duì)應(yīng)的最大場(chǎng)強(qiáng)

2.2 針電極+環(huán)電極（壁外）

環(huán)電極長(zhǎng)度不同時(shí)的電勢(shì)及電場(chǎng)分布圖分別如圖8和圖9所示。

由圖可知，環(huán)電極的出現(xiàn)對(duì)周圍的電勢(shì)及電場(chǎng)產(chǎn)生了影響，電極周圍的電場(chǎng)變大，且最大場(chǎng)強(qiáng)也發(fā)生了變化，但隨著環(huán)電極距壁的距離增大，影響減弱，如表2所示，其中當(dāng)電極的距壁的距離為1 cm時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)值還較只有針電極時(shí)的稍小，這是由于環(huán)電極距離較遠(yuǎn)，且寬度較窄，對(duì)電勢(shì)分布的改變微弱，同時(shí)由于對(duì)徑向電場(chǎng)的弱化作用，反而使總電場(chǎng)略有減小。

圖6 電勢(shì)等值線分布圖

圖7 電場(chǎng)分布圖

圖8 電勢(shì)等值線分布圖

圖9 電場(chǎng)分布圖

表2 不同環(huán)電極長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的最大場(chǎng)強(qiáng)

2.3 結(jié)果分析

從上述結(jié)果中可以看出，電極的位置及長(zhǎng)度對(duì)于初始電場(chǎng)有較大的影響，只存在針電極時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度值比較小，在壁上加上環(huán)電極后，最大電場(chǎng)強(qiáng)度值顯著增大，且環(huán)電極的寬度對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的大小也有影響，當(dāng)在壁外加上環(huán)電極時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度值也增大，但增加的幅度較環(huán)電極在壁上時(shí)的小，且隨著環(huán)電極距壁的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的影響也越來(lái)越小。有文獻(xiàn)指出電場(chǎng)分布越均勻、強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域越大的電極結(jié)構(gòu)有利于抑制輝光放電向弧光放電的轉(zhuǎn)變，有利于射流輝光等離子體的生成［11］。因此具體采用哪一種電極結(jié)構(gòu)需要根據(jù)應(yīng)用需要實(shí)際研究，并不能過(guò)于追求最大電場(chǎng)強(qiáng)度。但本文僅研究了電極結(jié)構(gòu)對(duì)初始電場(chǎng)的影響，并未考慮放電的影響，實(shí)際上隨著放電的進(jìn)行，由于壁電荷和空間電荷的積累，空間電場(chǎng)會(huì)發(fā)生較大的變化。電場(chǎng)對(duì)等離子體射流特性的影響還需結(jié)合放電機(jī)理進(jìn)行深入的研究。

3 總結(jié)

本文建立了等離子體射流器件的二維軸對(duì)稱模型，研究了不同的電極結(jié)構(gòu)對(duì)于初始電場(chǎng)的影響，電場(chǎng)分布對(duì)等離子體的長(zhǎng)度有一定的影響，電場(chǎng)分布越均勻、強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域越大的電極結(jié)構(gòu)有利于低溫等離子體射流的產(chǎn)生，但電場(chǎng)對(duì)等離子體射流特性的影響還需結(jié)合放電機(jī)理進(jìn)行深入的研究。

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戶玎嵐（1991-），女，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈入x子體射流流體及放電特性，847127803@qq.com；

楊蘭蘭（1978-），女，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)和顯示科學(xué)與技術(shù)，jujube_yang@seu.edu.cn。