錢 楊，馮音琦，宋曉鵬，2，黃民雙

(1.北京石油化工學(xué)院，北京市光機(jī)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617；2.北京化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100029)

等離子體作為物質(zhì)的第4態(tài)，在人類日常生產(chǎn)生活中扮演著越來越重要的角色。液相放電生成等離子體過程中產(chǎn)生的高能電子和自由基可加快化學(xué)反應(yīng)速率起到催化劑作用，在制氫、制氨等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。在制造燃料方面，大分子燃料可以有效被高能電子和激發(fā)態(tài)的粒子打散為小分子，改變?nèi)剂戏肿拥幕瘜W(xué)活性以及輸運(yùn)特性，起到助燃作用[2]。等離子體的存在有時(shí)也會(huì)給人類帶來困擾，如高速飛行的航天器表面會(huì)因空氣分子劇烈摩擦形成 “等離子鞘層”，屏蔽其周圍電磁波的傳輸，對(duì)航天器的監(jiān)控和通信造成嚴(yán)重影響[3-5]。

20世紀(jì)90年代初，輝光放電生成等離子體過程的具體物理描述和相應(yīng)的雙流體數(shù)學(xué)模型就已被提出[6]。Passchier等[7]采用一維流體方法，假設(shè)電子能量分布函數(shù)處于熱平衡狀態(tài)，模擬了平行板間的氣體放電過程。Herrebout等[8-10]研究了低氣壓下甲烷-氫氣混合空氣的放電過程，考慮20種粒子反應(yīng)，模擬得到的一些放電物理特性與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

在上述研究基礎(chǔ)上，筆者利用COMSOL軟件建立并求解二維低氣壓直流輝光放電生成等離子體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯空］x光放電向異常輝光放電的發(fā)展轉(zhuǎn)變過程及其放電特性，探討電壓和潘寧電離反應(yīng)率對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)輝光放電生成的等離子體的瞬態(tài)物理特性的影響，為后期開展在不同放電形式下獲得不同密度等離子體的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及物理模型

輝光放電實(shí)驗(yàn)裝置及外電路由一個(gè)內(nèi)置有同軸平行平板電極的圓柱體玻璃反應(yīng)腔串聯(lián)在由電壓值在0～1 000 V范圍變化的可變電源和最高阻值為1 000 Ω的可變電阻構(gòu)成的外電路中，電極材料為紫銅，幾何尺寸如圖1所示。反應(yīng)腔中充滿氬氣，抽氣管用來調(diào)節(jié)腔內(nèi)氣壓。

圖1 直流輝光放電實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 An experimental device for DC glow discharge

電源接通后，反應(yīng)腔內(nèi)的種子電子與氬氣分子發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生電子崩，并由氬離子轟擊陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射維持著輝光放電。放電發(fā)生時(shí)，腔內(nèi)可能發(fā)生的7種碰撞反應(yīng)如表1所示。

表1 氬氣的各種碰撞反應(yīng)類型

表1中的第1～5組反應(yīng)的反應(yīng)速率均可根據(jù)碰撞截面σ計(jì)算。碰撞截面σ是描述電子參與碰撞發(fā)生的概率，σ越大意味著碰撞越容易發(fā)生。碰撞截面一般是電子能的函數(shù)，模擬計(jì)算中的有關(guān)碰撞截面σ的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[11]。第6組反應(yīng)為氬原子間碰撞產(chǎn)生電子的過程，第7組是反應(yīng)腔中摻入微量雜質(zhì)He所發(fā)生的碰撞，后兩類反應(yīng)中的電離被稱為潘寧電離[12-13]。

2 二維流體數(shù)學(xué)模型

將圓柱體反應(yīng)腔內(nèi)帶電粒子視為流體質(zhì)點(diǎn)，其漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)視作連續(xù)流體介質(zhì)的流動(dòng)過程，他們因不斷與中性粒子發(fā)生彈性碰撞或電離碰撞而改變自己的運(yùn)動(dòng)軌跡或產(chǎn)生新的電子、離子，而電子與離子又可發(fā)生復(fù)合過程。在反應(yīng)腔內(nèi)，參與反應(yīng)的粒子除電子外，還可能有氬原子、氬離子、激發(fā)態(tài)的氬原子、氦原子、氦離子，這些粒子統(tǒng)稱為重粒子。分別建立這些電子與重粒子的漂移擴(kuò)散方程可描述他們?cè)陔妶?chǎng)力、濃度差兩大效應(yīng)的作用下發(fā)生的漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

以圖1中陰極板一側(cè)的反應(yīng)腔底面與反應(yīng)腔中心對(duì)稱軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，其y軸與反應(yīng)腔對(duì)稱軸重合，指向反應(yīng)腔內(nèi)電流的方向，其x軸和z軸在此反應(yīng)腔體的底面上，指向沿直徑方向，三者相互垂直(圖1中已標(biāo)出)。由于反應(yīng)腔具有圓柱對(duì)稱性，可用x-y軸確定的平面截取圓柱體反應(yīng)腔獲得等效橫截面，如圖2所示。原三維圓柱空間簡(jiǎn)化為圖2中二維灰色區(qū)域，其為直角坐標(biāo)系下的等效求解域，通過在此二維等效橫截面上求解漂移擴(kuò)散方程即可模擬整個(gè)圓柱體反應(yīng)腔內(nèi)的物理特性及規(guī)律。

圖2 反應(yīng)腔的等效二維求解域Fig.2 Equivalent two-dimensional domain for the reaction chamber

2.1 放電等離子體的電子密度方程與電子能密度方程

(1)

在反應(yīng)腔內(nèi)任意一點(diǎn)處，電子生成率Re可由化學(xué)反應(yīng)系數(shù)來表示。若反應(yīng)腔中可發(fā)生的7組化學(xué)反應(yīng)中的第j種反應(yīng)的反應(yīng)系數(shù)為kj(m3/s) (j=1，2，3，…，7)，則電子源項(xiàng)表示為[15]：

(2)

其中：Nn為中性氣體密度(1/m3)。

(3)

若Δεj為第j種反應(yīng)所釋放或吸收的能量(包括彈性碰撞與非彈性碰撞損失的能量)，則在反應(yīng)腔內(nèi)任意一點(diǎn)處，電子能生成率可表示為[15]：

(4)

第j個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)系數(shù)kj可進(jìn)一步表示為[16]：

(5)

式中：σ(ε)為電子能的碰撞截面函數(shù)；f(ε)為電子能量分布函數(shù)，用麥克斯韋分布替代。

2.2 放電等離子體的離子和原子的輸運(yùn)方程

(6)

(7)

(8)

(9)

在反應(yīng)腔內(nèi)，電離產(chǎn)生的電子、離子作為空間電荷，其產(chǎn)生的靜電場(chǎng)會(huì)反作用于等離子體，這一作用過程可通過耦合泊松方程來描述：

(10)

其中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為氣體的相對(duì)介電常數(shù)；nk氬離子的密度；Zk為第k種重粒子的帶電量。

2.3 反應(yīng)腔內(nèi)等離子體的邊界條件

求解上述電子與重粒子的漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程組，需要根據(jù)反應(yīng)腔內(nèi)等離子體所處的環(huán)境考慮4類邊界條件：

(1)陽極邊界條件：電子、離子到達(dá)反應(yīng)腔陽極時(shí)會(huì)被陽極表面吸附，則有：

(11)

(12)

(2)陰極邊界條件：當(dāng)正離子轟擊陰極時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生二次發(fā)射：

(13)

(14)

(3)反應(yīng)腔壁邊界條件：當(dāng)電子、離子運(yùn)動(dòng)到反應(yīng)腔壁面時(shí)，電荷在壁面處積累產(chǎn)生靜電場(chǎng)，反作用于腔內(nèi)的帶電粒子，因此，在壁面邊界處法線方向上的電流密度應(yīng)滿足：

(15)

(16)

(4)外電路邊界條件：外電路電源電壓與極板電壓和可變電阻上的壓降應(yīng)滿足基爾霍夫電壓定律:

V=V0-IR

(17)

式中：V為圓柱體反應(yīng)腔的極板電壓；V0為電源電壓；R為鎮(zhèn)流電阻的阻值；I為外電路中的電流。

3 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建模和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

利用COMSOL Multiphysics軟件和有限元算法將方程組(1)、(3)、(6)及其對(duì)應(yīng)的邊界條件，在求解域內(nèi)進(jìn)行空間和時(shí)間上的離散，將其變?yōu)橐幌盗写鷶?shù)方程組，通過迭代求解出圓柱體反應(yīng)腔內(nèi)的電子密度、電子溫度、腔內(nèi)電勢(shì)的分布函數(shù)及各類重物質(zhì)密度隨時(shí)間空間變化的函數(shù)。

為近一步簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)二維鏡像軸對(duì)稱界面，在COMSOL的操作界面上建立的幾何模型僅是圖2中等效求解域的一半，便可獲得各物理量在整個(gè)求解域的分布情況，如圖3所示。

在圖3中，虛線為圖2中直角坐標(biāo)系的y軸，點(diǎn)劃線為圖2中直角坐標(biāo)系的x軸，其交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，圖中灰色區(qū)域?yàn)榈刃蠼庥颉８鶕?jù)反應(yīng)腔的尺寸，等效矩形的長(zhǎng)為0.17 m，寬為0.05 m，2個(gè)等效電極板表面間距為0.15 m。反應(yīng)腔內(nèi)氬氣的主要物理參數(shù)值和初始條件如表2所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

(1)反應(yīng)腔內(nèi)充滿純凈的氬氣，并通過抽氣管使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣壓保持為恒定的40 Pa低氣壓，設(shè)陰極的二次電子發(fā)射率恒定為0.25，而反應(yīng)腔內(nèi)初始電子濃度在1×109～1×1013m-3范圍內(nèi)變化，理想電源電壓則在0～500 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，模擬反應(yīng)腔內(nèi)帶電粒子的有關(guān)物理量的分布。

表2 反應(yīng)腔內(nèi)氬氣的主要物理參數(shù)值和初始條件

Table 2 Main physical parameters and initial conditions of argon gas in the reaction chamber

參數(shù)數(shù)值初始?xì)鍤饷芏萅n/(1·m-3)1×1019電子遷移系數(shù)μe/[m2·(V·s)-1]1×106陰極電勢(shì)V/V0重粒子溫度T/K293.15重粒子熱擴(kuò)散系數(shù)DTk/(m2·s-1)0重粒子擴(kuò)散系數(shù)Dk,f/(m2·s-1)1×10-2絕對(duì)壓強(qiáng)P/Pa40

(2)在純凈的氬氣中，控制電源電壓、初始電子密度、二次電子發(fā)射率為某一恒定值，摻入不同體積百分比的雜質(zhì)He，模擬反映穩(wěn)定時(shí)不同的潘寧電離效應(yīng)下反應(yīng)腔中的電子、離子密度、電子溫度等物理量的分布。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開展不同低電壓放電、高電壓放電生成等離子體的仿真實(shí)驗(yàn)，獲得了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的電子密度、離子密度、電子溫度及腔內(nèi)電勢(shì)的分布，并研究摻入微量He雜質(zhì)引起的潘寧電離效應(yīng)對(duì)放電過程及相應(yīng)的放電生成的等離子體的物理特性的影響。

4.1 低電壓放電電子密度的變化

當(dāng)初始電子密度為1×109m-3、電源電壓為80 V時(shí)，反應(yīng)穩(wěn)定后反應(yīng)腔內(nèi)電子密度二維云圖如圖4所示。

圖4 電源電壓為80 V時(shí)反應(yīng)腔內(nèi)電子密度的云圖Fig.4 Cloud diagram of electron density in the reaction chamber when power supply voltage is at 80 V

從圖4可以看出，整個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)的電子密度均在109m-3數(shù)量級(jí)上。沿著軸向越靠近陽極，電子密度越大，并在近陽極板表面處達(dá)到最大值。同時(shí)，在二維反應(yīng)腔內(nèi)，電子密度隨著徑向距離的增大而減小。這些現(xiàn)象說明，在80 V的電壓作用下，腔內(nèi)氣體未被擊穿，初始電子在電場(chǎng)作用下向陽極漂移，在靠近陽極附近的區(qū)域出現(xiàn)電子聚集及少量電子崩的產(chǎn)生，而反應(yīng)腔壁面上出現(xiàn)的靜電荷積累則抑制了電子的徑向運(yùn)動(dòng)。

將電源電壓分別為80、85、90、91、101 V時(shí)反應(yīng)穩(wěn)定后獲得的二維電子密度云圖中軸線上各點(diǎn)的電子密度分布采集出來并取對(duì)數(shù)，獲得一維曲線圖如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)表示軸線上的點(diǎn)到陰極的距離。

圖5 低電壓下沿反應(yīng)腔軸線上的電子密度分布Fig.5 Distribution of electron density along the axis of the reaction chamber at low voltage

由圖5可見，當(dāng)電源電壓為80、85、90 V時(shí)，得到的3條電子密度沿軸向分布曲線處在同一數(shù)量級(jí)，走勢(shì)也完全一致，均沿著軸向有一定的上升趨勢(shì)，增幅較為平緩，且在距陰極0.147 2 m處達(dá)到最大值后突然下降，并在陽極表面降至最小值；在陰極表面的電子密度分別為1.71×108、1.76×108、1.77×108m-3，而距陰極0.147 2 m處電子密度則分別是1.88×109、2.05×109、2.31×109m-3。

當(dāng)電源電壓為91 V時(shí)，反應(yīng)腔沿軸線的電子密度分布出現(xiàn)了明顯突變，如圖5中的三角標(biāo)記線所示。其在陰極表面的電子密度為5.05×1010m-3，并沿著軸向增大，在0.02 m之后增幅變得平緩，在距陰極0.048 m處達(dá)到最大值3.86×1013m-3。之后，隨著越接近陽極，電子密度出現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，在0.13 m處附近下降趨勢(shì)變得更為明顯，最終在陽極表面降為3.05×107m-3。當(dāng)電源電壓為101 V時(shí)，沿軸線的電子密度始終高于電壓為91 V時(shí)的電子密度，分布走勢(shì)基本一致，其電子密度最大值超過1014數(shù)量級(jí)。

這些現(xiàn)象說明，當(dāng)電源電壓在80～90 V范圍變化時(shí)，反應(yīng)腔內(nèi)電子密度與設(shè)置的初始電子密度處在同一數(shù)量級(jí)，電子崩效應(yīng)還十分微弱；當(dāng)電壓達(dá)到91 V附近時(shí)，電子獲得的能量足夠引起大量電子繁衍，形成了二次電子發(fā)射；當(dāng)電壓達(dá)到101 V時(shí)，電子從電場(chǎng)中獲得了更多的能量，雪崩效應(yīng)更為激烈，電子密度則進(jìn)一步提高。

4.2 正常輝光放電階段帶電粒子密度、腔內(nèi)電勢(shì)及電子溫度的分布

當(dāng)種子電子密度為1×1013m-3的情況下，當(dāng)電源電勢(shì)達(dá)到400 V時(shí)，反應(yīng)在t=6.5513×10-8s穩(wěn)定，此時(shí)的電子密度二維分布情況如圖6所示。

圖6 反應(yīng)腔內(nèi)電子密度的云圖Fig.6 Cloud diagram of electron density in the reaction chamber

由圖6可以看出，在求解域中，電子密度超過1014數(shù)量級(jí)的區(qū)域出現(xiàn)在距離陰極大概0.021 m附近，此區(qū)域應(yīng)為負(fù)輝區(qū)，陰極表面到負(fù)輝區(qū)之前的區(qū)域?yàn)殛帢O位降區(qū)。負(fù)輝區(qū)之后到陽極板之間為法拉第暗區(qū)和正柱區(qū)，其中正柱區(qū)占據(jù)了求解域的大部分面積，各區(qū)域上下與腔體壁之間窄小的縫隙為等離子體鞘層，其電子密度下降極為明顯。

為了更好分析電子離子以及腔內(nèi)電勢(shì)沿軸向的分布規(guī)律，繪出t=6.551 3×10-8s時(shí)的電子密度、離子密度和腔內(nèi)電勢(shì)沿著反應(yīng)腔對(duì)稱軸線上各點(diǎn)分布變化的一維曲線圖，如圖7所示。

圖7 反應(yīng)腔軸線的電子密度和離子密度及電勢(shì)的空間分布Fig.7 Distributions of electron density，ion density and electric potential along of the reaction chamber axis

由圖7可以看出，電子密度與離子密度曲線均從原點(diǎn)開始沿軸向陡然增大，離子密度始終明顯高于電子密度，并且在0.012 m處先達(dá)到其最大值并開始下降，而電子密度一直上升，在0.021 m處達(dá)到其峰值。這一電子密度峰值點(diǎn)到陰極表面的距離可視為陰極位降區(qū)的長(zhǎng)度，其承接了正負(fù)兩極板間的主要壓降。電子密度峰值點(diǎn)一過，離子密度曲線便與電子密度曲線相交，相交處距離陰極約0.023 m。相交后的兩條曲線再次略微分離，電子密度高于離子密度約1012數(shù)量級(jí)直達(dá)距陰極0.045 m處，這段區(qū)域應(yīng)為法拉第暗區(qū)。在此區(qū)域之后，電子、離子密度僅相差不到103m-3，走勢(shì)也變得十分平緩直達(dá)距陰極0.156 m附近，這段區(qū)域應(yīng)為正柱區(qū)。在此正柱區(qū)之后又出現(xiàn)明顯的2條曲線分離，此區(qū)域?yàn)殛枠O區(qū)。

陰極位降區(qū)內(nèi)電子與離子處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)，電離產(chǎn)生的電子離子會(huì)由于濃度差朝上下腔體壁方向漂移擴(kuò)散，電子的速度比離子快得多，使得軸線上離子密度大于電子密度。由于正負(fù)電荷不均勻，導(dǎo)致此區(qū)域電勢(shì)位降大，因此電場(chǎng)強(qiáng)度也大。在正柱區(qū)，電子離子密度相差不大，已經(jīng)基本處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，宏觀上呈電中性并且為等勢(shì)體。圖6和圖7有效地區(qū)分出陰極位降區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極區(qū)，表明此時(shí)腔體內(nèi)的放電處在正常輝光放電階段。

腔體內(nèi)沿軸線的電子溫度和電子密度分布曲線對(duì)比如圖8所示。

由圖8可以看出，在陰極表面附近的電子溫度很低，隨后升高并在0.014 m處先于電子密度達(dá)到最大值；隨后，電子溫度開始下降，到0.04 m附近時(shí)，電子溫度下降趨勢(shì)變得平緩；在距陰極0.15 m附近，電子溫度接近0 eV。在靠近陰極表面的區(qū)域里，電場(chǎng)雖然很強(qiáng)，由于電子初始速度低，電子的能量不足以使氣體原子電離，因原子電離率低，電子密度增幅則不明顯。隨后，電子在陰極位降區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速向陽極前進(jìn)，并獲得足以使氣體原子發(fā)生電離的能量，通過碰撞電離，電子能量損失迅速，使電子溫度沿軸向下降；而大面積碰撞電離的發(fā)生，導(dǎo)致電子密度持續(xù)升高，并在負(fù)輝區(qū)達(dá)到其峰值。失去能量的慢電子在法拉第暗區(qū)重新獲得能量又變?yōu)榭祀娮樱M(jìn)入正柱區(qū)后，電子能量的獲得與損失達(dá)到平衡，溫度變化趨于平穩(wěn)保持在3 eV附近。在陽極表面，隨著陽極吸附作用電子溫度接近零。

圖8 沿反應(yīng)腔軸線的電子密度與電子溫度的對(duì)比Fig.8 Comparison between Electron density and electron temperature along of the reaction chamber axis at 6.551 3×10-8 s

適當(dāng)減小回路的鎮(zhèn)流電阻，在t=6.5513×10-8s時(shí)的電子密度二維云圖中可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)輝區(qū)面積增大，正柱區(qū)減小，而且負(fù)輝區(qū)快充滿整個(gè)反應(yīng)腔，電子密度已然達(dá)到了1017數(shù)量級(jí)，如圖9所示。這說明正常輝光已經(jīng)向異常輝光轉(zhuǎn)化，并可能出現(xiàn)向弧光轉(zhuǎn)化的跡象，若存在熱電子發(fā)射，放電將進(jìn)入弧光放電階段。

圖9 異常輝光狀態(tài)下反應(yīng)腔內(nèi)電子密度的云圖Fig.9 Cloud diagram of electron density in the reaction chamber when abnormal glow

4.3 微量雜質(zhì)對(duì)輝光放電電子密度和電子溫度的影響

設(shè)理想電源電壓為400 V，初始電子密度為1×1013m-3，雜質(zhì)He體積百分比分別設(shè)置為1×10-4%、1×10-3%、1×10-2%進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。獲得不同雜質(zhì)體積百分比下負(fù)輝區(qū)電子密度以及距陰極0.04 m正柱區(qū)內(nèi)的電子密度，結(jié)果如表3所示。

表3 潘寧電離率對(duì)電子密度的影響

由表3可以看出，雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加提高了潘寧電離效應(yīng)，電子密度升高，當(dāng)He的體積百分比從1×10-6提高到1×10-4的過程中，負(fù)輝區(qū)的電子密度增加了大約6×106m-3，而正柱區(qū)電子密度增幅為4×106m-3，潘寧電離效應(yīng)的升高為放電提供了更多的電子，電子密度升高。同時(shí)得到雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6、1×10-5、1×10-4時(shí)電子溫度的軸向分布情況，如圖10所示。

圖10 不同潘寧電離反應(yīng)速率下的電子溫度分布Fig.10 Distributions of electron temperature at different Penning ionization reaction rates

由圖10可以看出，3條曲線走勢(shì)基本相同，均在距陰極0.02 m之前便達(dá)到最大值，隨后開始下降；靠近陽極時(shí)，下降幅度變得平緩；在陽極表面隨著電子被吸附，電子溫度接近零。而隨著潘寧電離反應(yīng)速率的增大，整個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)的電子溫度均出現(xiàn)明顯的降低；電子溫度下降幅度最大的位置出現(xiàn)在距離陰極0.03 m處，下降了1.3 eV。潘寧電離是原子與激發(fā)態(tài)原子碰撞電離產(chǎn)生電子的過程，雜質(zhì)的增多，因潘寧效應(yīng)引起反應(yīng)腔內(nèi)電子密度的升高。由于使氬原子轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)氬原子只需要能量較小的電子，加上電子的平均自由程因雜質(zhì)原子的增多而變短，腔內(nèi)的電子更容易參與到使氬原子發(fā)生激發(fā)碰撞的反應(yīng)中，即反應(yīng)R2發(fā)生的幾率便會(huì)隨著整個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)雜質(zhì)的增多和電子密度的提高而增大，潘寧反應(yīng)也因有激發(fā)態(tài)原子得以不斷產(chǎn)生而持續(xù)進(jìn)行，但電子的平均速度則因此難以提高。所以雜質(zhì)的增多在提高腔內(nèi)電子密度的同時(shí)還會(huì)使反應(yīng)腔內(nèi)的電子的平均溫度下降。

5 結(jié)論與展望

(1)電源電壓為91 V時(shí)，反應(yīng)腔內(nèi)氬氣被擊穿，電子密度出現(xiàn)明顯的突變，放電轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿址烹姟?/p>

(2)模擬輝光放電等離子體實(shí)驗(yàn)過程中，通過二維電子密度分布圖和電子密度、離子密度的一維分布圖可區(qū)分出明顯的陰極位降區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)和正柱區(qū)等正常輝光放電的特性區(qū)域。

(3)微量雜質(zhì)導(dǎo)致的潘寧電離效應(yīng)的有效增大，產(chǎn)生了更多的電子，增加了輝光放電各區(qū)域電子密度。同時(shí)，潘寧電離還起到調(diào)節(jié)電子溫度的作用，所需要的維持放電電子能量降低，電子溫度降低，節(jié)約能源的同時(shí)提高了設(shè)備的安全性。