射频和千赫兹驱动的毫米间隙放电的仿真研究

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1 mm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，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13.56 MHz射频（RF）电源或50 kHz交流（LF）电源所驱动的1 mm氦气（混合0.1%氮气）间隙的放电过程，关注了在1 mW和1 W这两种不同的沉积能量下的放电特性。结果表明：RF放电在1 mW时表现为电晕放电模式，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1 W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；LF放电的起始电压幅值要高于RF，且LF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，LF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