工作气体对DBD放电的影响
工作气体对DBD放电的影响[20200406130414]
摘 要
介质阻挡放电，即DBD（Dielectric Barrier Discharges），是一种基于气体放电理论的常见非平衡态交流气体放电。运用介质阻挡放电能工业大面积稳定生产制取低温非平衡等离子体。在各种具体的应用环境下，DBD的一系列反应过程需要其反应器需要有不同的电气参数，如气压、气体种类、比例、温度、电压等，这些参数对于提高DBD工业生产等离子具有至关重要的作用。
本课题主要利用OOPIC软件对立体空间介质放电（DBD）进行理论建模，并通过程序计算模拟工作气体的种类、比例、气压等参数对于DBD放电击穿电压的影响，通过数值计算结果确定DBD放电工作气体的最佳参数，对低温等离子体放电空间优化具有较强的理论指导意义。结果表明，
（1） 随着气压的不断增加，DBD放电空间中的的主放电区域变小，Ne离子数量下降，电子或Xe离子数量增加；
（2） DBD放电过程中采用混合气体比单一气体工作效率更高；
（3） 在模拟的结果中，气压为500 torr，Ne占99%、Xe占1%时，出现放电峰值的时间最短，放电电子的数量最多；
（4） OOPIC软件具有较好的兼容性和稳定性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:介质阻挡放电；OOPIC；气压；气体种类
目 录
1. 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.1.1介质阻挡放电的应用 1
1.1.2国内外现状及发展趋势 4
1.2 课题研究目的及意义 4
1.3 课题主要内容 5
2. DBD放电模型的建立及模拟软件 6
2.1 DBD放电模型的建立 6
2.1.1 气体粒子的产生与碰撞 6
2.1.2 气体的击穿 7
2.1.3 DBD模型 7
2.2 模拟软件 8
3. 气压对DBD放电的影响 13
3.1 参数设置 13
3.2 模拟结果分析 13
3.2.1 放电粒子状态变化 13
3.2.2 放电粒子浓度变化 15
3.2.3 放电时间变化 16
4. 气体种类对DBD放电的影响 17
4.1参数设置 17
4.2模拟结果分析 17
4.2.1 放电粒子状态变化 17
4.2.2 放电粒子浓度变化 19
4.2.3 放电时间变化 20
5.总结 21
结束语 22
参考文献 23
致谢 24
附录 25
1. 引言
1.1 课题研究背景
介质阻挡放电，即DBD（Dielectric Barrier Discharges），是一种常见的非平衡态交流气体放电。运用DBD技术能工业大面积稳定生产制取低温非平衡等离子体。在各种具体的应用环境下，DBD的一系列反应过程需要其反应器需要有不同的电气参数，如气压、气体种类、比例、温度、电压等，这些参数对于提高DBD工业生产等离子具有至关重要的作用。
DBD是指在放电区域内添加某种绝缘介质，同时两电极上施加驱动电压而形成的一种非平衡气态放电。因其能放电过程能适应高气压及较宽频率的工作环境，已成为大规模连续工业生产的一种气体放电形式。
介质阻挡放电的结构通常包括激励源及放电电极两部分，如下图1-1。电极可以是平板结构，也可以是同轴结构。通过在两电极间插入阻挡介质，有效地减少了在空间放电过程中产生弧光放电的可能性，从而能保证放电过程持续进行。
图1-1 DBD的产生模型
在各种具体的应用环境下，DBD放电的一系列反应过程需要其反应器需要有不同的电气参数，如气压、气体种类、比例、温度、电压等，这些参数对于提高DBD工业生产等离子具有至关重要的作用。
1.1.1介质阻挡放电的应用
就目前来说，DBD放电技术的应用主要体现在以下几个方面：
1.用于臭氧的制备
臭氧是氧气的同素异形体，但两者的制备有本质的区别，臭氧无色但具有刺激性腥臭气味，是典型的催化剂、脱色剂和强氧化剂。最早发现臭氧是在1839年，因其具有腥味，遂命名为臭氧。其早期制备是通过玻璃管式发生器实现的，随着科技水平的调高，开始以DBD反应器为基础制备臭氧。通过氧气来制备臭氧，其放电等离子合成反应比较复杂，其核心反应式为：
通过DBD制备高浓度臭氧是一种十分高效的技术手段，优化DBD臭氧发生装置，对于生产臭氧的浓度，效率，电解质折损率，成本造价等起着至关重要的作用，其发展趋势是采用较高的介电常数和窄间隙（<0.5mm），高频高雅激励源和小型化模块化装置。对于DBD臭氧制备的研究现已实现突破性进展，生产效率高于100g/kW?h的发生装置已在实验室中得到顺利实现。
2.等离子平板显示器（PDP）
等离子平板显示器，简称PDP（Plasma Display Panel），是近年来国内外显示理论的重点项目。是指利用DBD放电技术，在放电空间加入稀有气体，并在电极上施加工作电压放电产生可见光，完成显示的物理装置，如图1-3。相对于等离子平板显示器来说，阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）显示器的显示原理是通过电子枪以扫描的形式将运动电子发射到显示平面的整个区域上，显示屏幕越大，其显像管长度约越长。而等离子平板显示器的每一个像素有红、绿、蓝三种颜色按不同比例显示组成，各基色之间成像时互不干扰。相比于阴极管射线显示器来说的扫描显示来说，等离子平板显示的效率更高，色彩感更好，且装置更薄，具有广阔的应用前景。
PDP显示器最早由日本厂商在1996 年将其商品化，至今已经有十年左右的时间，其间各方面皆已有长足进步，已经可以符合消费者的需求。发光效率之提升与放电机制有最大关连，从能量转换效率的分析，改善PDP的发光效率可以从驱动电路、电极结构、放电空间、放电气体??、阻隔壁结构、萤光体种类等方向进行。
目前在已经发表的文献中ACPDP的发光效率已经接近达到到6 lm/W。其主要特点为在前板结构中的放电电极与扫瞄电极间增加辅助电极，且使用较高比例的Xe(20 %) 的放电混合气体。
如图1-2详细描述了AC-PDP显示单元结构示意图。
图1-2 AC-PDP显示器单元结构
3.材料表面的改性
材料改性是指通过一定得物理、化学或生物等手段对材料的表面性能进行改进，以满足某些特定的功能和需要。目前的改性方法有:紫外辐照法、离子光束照射法、湿法干法化学处理和低温Plasma处理法。对于通过介质阻挡放电来进行改性方法主要有化学改性，物理刻蚀和表面交联（见下图1-3）
图1-3 DBD材料表面改性
在这些方法中，低温等离子体法因其设备条件要求低，处理效率高，物污染等特点，相比于弧光放电和电晕放电来说，更适合于大规模工业化操作，因此这方面的研究越来越引起国内外的广泛关注。
1.1.2国内外现状及发展趋势
现在对于介质阻挡放电的研究方式主要有实验和模拟两种方式，随着计算机技术的不断发展，软件模拟逐渐成为DBD放电的主流模拟模式。借助一定的实验反应装置与仿真模型研究放电机制机理的，大大地提高了研究效率，并通过两者相互比较的方式，得出最优的设计参数，之后投入到大规模的工业生产中去。对于仿真模拟，研究时往往使用PSpice，但由于PSpice不能实现动态仿真，对于气隙放电的情况不能很好反应。所以，这也有待于人们的进一步研究。
现如今，国内外对于介质阻挡放电的研究方向主要集中在：
1）DBD放电特性及机理的研究：即通过光谱分析诊断，发光图像的拍摄，相应通过电流电压的测量和计算机仿真研究其相关特性及机理；
2）对于放电反应器的设计及优化：随着介质阻挡放电技术应用范围的不断扩大，其使用效率成为了一个至关重要的影响因素，如何设置反应器相关的电器参数，成为了提高反应器工作效率的关键。
在国外，很多研究小组例如：德国的Wagner小组等，对介质阻挡放电空间的电荷传输特性和做电气特性、击穿过程、微放电的形成与演化过程了大量的理论研究及实验模拟。在探究了DBD的放电特性时，使用了电压电流波形、Lissajous图形的测量和发光图像的拍摄的方式。
国内西安交通大学的方教授等在实验室建立了验装置，通过光电特性的测量和发光图像的拍摄研究了DBD的影响因素及等效电容的变化情况。
总之，DBD放电如今已广泛应用于臭氧发生器，环境工程，材料表面改造等领域，具有好的应用和科研前景，因此值得人们继续探索研究。
摘 要
介质阻挡放电，即DBD（Dielectric Barrier Discharges），是一种基于气体放电理论的常见非平衡态交流气体放电。运用介质阻挡放电能工业大面积稳定生产制取低温非平衡等离子体。在各种具体的应用环境下，DBD的一系列反应过程需要其反应器需要有不同的电气参数，如气压、气体种类、比例、温度、电压等，这些参数对于提高DBD工业生产等离子具有至关重要的作用。
本课题主要利用OOPIC软件对立体空间介质放电（DBD）进行理论建模，并通过程序计算模拟工作气体的种类、比例、气压等参数对于DBD放电击穿电压的影响，通过数值计算结果确定DBD放电工作气体的最佳参数，对低温等离子体放电空间优化具有较强的理论指导意义。结果表明，
（1） 随着气压的不断增加，DBD放电空间中的的主放电区域变小，Ne离子数量下降，电子或Xe离子数量增加；
（2） DBD放电过程中采用混合气体比单一气体工作效率更高；
（3） 在模拟的结果中，气压为500 torr，Ne占99%、Xe占1%时，出现放电峰值的时间最短，放电电子的数量最多；
（4） OOPIC软件具有较好的兼容性和稳定性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:介质阻挡放电；OOPIC；气压；气体种类
目 录
1. 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.1.1介质阻挡放电的应用 1
1.1.2国内外现状及发展趋势 4
1.2 课题研究目的及意义 4
1.3 课题主要内容 5
2. DBD放电模型的建立及模拟软件 6
2.1 DBD放电模型的建立 6
2.1.1 气体粒子的产生与碰撞 6
2.1.2 气体的击穿 7
2.1.3 DBD模型 7
2.2 模拟软件 8
3. 气压对DBD放电的影响 13
3.1 参数设置 13
3.2 模拟结果分析 13
3.2.1 放电粒子状态变化 13
3.2.2 放电粒子浓度变化 15
3.2.3 放电时间变化 16
4. 气体种类对DBD放电的影响 17
4.1参数设置 17
4.2模拟结果分析 17
4.2.1 放电粒子状态变化 17
4.2.2 放电粒子浓度变化 19
4.2.3 放电时间变化 20
5.总结 21
结束语 22
参考文献 23
致谢 24
附录 25
1. 引言
1.1 课题研究背景
介质阻挡放电，即DBD（Dielectric Barrier Discharges），是一种常见的非平衡态交流气体放电。运用DBD技术能工业大面积稳定生产制取低温非平衡等离子体。在各种具体的应用环境下，DBD的一系列反应过程需要其反应器需要有不同的电气参数，如气压、气体种类、比例、温度、电压等，这些参数对于提高DBD工业生产等离子具有至关重要的作用。
DBD是指在放电区域内添加某种绝缘介质，同时两电极上施加驱动电压而形成的一种非平衡气态放电。因其能放电过程能适应高气压及较宽频率的工作环境，已成为大规模连续工业生产的一种气体放电形式。
介质阻挡放电的结构通常包括激励源及放电电极两部分，如下图1-1。电极可以是平板结构，也可以是同轴结构。通过在两电极间插入阻挡介质，有效地减少了在空间放电过程中产生弧光放电的可能性，从而能保证放电过程持续进行。
图1-1 DBD的产生模型
在各种具体的应用环境下，DBD放电的一系列反应过程需要其反应器需要有不同的电气参数，如气压、气体种类、比例、温度、电压等，这些参数对于提高DBD工业生产等离子具有至关重要的作用。
1.1.1介质阻挡放电的应用
就目前来说，DBD放电技术的应用主要体现在以下几个方面：
1.用于臭氧的制备
臭氧是氧气的同素异形体，但两者的制备有本质的区别，臭氧无色但具有刺激性腥臭气味，是典型的催化剂、脱色剂和强氧化剂。最早发现臭氧是在1839年，因其具有腥味，遂命名为臭氧。其早期制备是通过玻璃管式发生器实现的，随着科技水平的调高，开始以DBD反应器为基础制备臭氧。通过氧气来制备臭氧，其放电等离子合成反应比较复杂，其核心反应式为：
通过DBD制备高浓度臭氧是一种十分高效的技术手段，优化DBD臭氧发生装置，对于生产臭氧的浓度，效率，电解质折损率，成本造价等起着至关重要的作用，其发展趋势是采用较高的介电常数和窄间隙（<0.5mm），高频高雅激励源和小型化模块化装置。对于DBD臭氧制备的研究现已实现突破性进展，生产效率高于100g/kW?h的发生装置已在实验室中得到顺利实现。
2.等离子平板显示器（PDP）
等离子平板显示器，简称PDP（Plasma Display Panel），是近年来国内外显示理论的重点项目。是指利用DBD放电技术，在放电空间加入稀有气体，并在电极上施加工作电压放电产生可见光，完成显示的物理装置，如图1-3。相对于等离子平板显示器来说，阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）显示器的显示原理是通过电子枪以扫描的形式将运动电子发射到显示平面的整个区域上，显示屏幕越大，其显像管长度约越长。而等离子平板显示器的每一个像素有红、绿、蓝三种颜色按不同比例显示组成，各基色之间成像时互不干扰。相比于阴极管射线显示器来说的扫描显示来说，等离子平板显示的效率更高，色彩感更好，且装置更薄，具有广阔的应用前景。
PDP显示器最早由日本厂商在1996 年将其商品化，至今已经有十年左右的时间，其间各方面皆已有长足进步，已经可以符合消费者的需求。发光效率之提升与放电机制有最大关连，从能量转换效率的分析，改善PDP的发光效率可以从驱动电路、电极结构、放电空间、放电气体??、阻隔壁结构、萤光体种类等方向进行。
目前在已经发表的文献中ACPDP的发光效率已经接近达到到6 lm/W。其主要特点为在前板结构中的放电电极与扫瞄电极间增加辅助电极，且使用较高比例的Xe(20 %) 的放电混合气体。
如图1-2详细描述了AC-PDP显示单元结构示意图。
图1-2 AC-PDP显示器单元结构
3.材料表面的改性
材料改性是指通过一定得物理、化学或生物等手段对材料的表面性能进行改进，以满足某些特定的功能和需要。目前的改性方法有:紫外辐照法、离子光束照射法、湿法干法化学处理和低温Plasma处理法。对于通过介质阻挡放电来进行改性方法主要有化学改性，物理刻蚀和表面交联（见下图1-3）
图1-3 DBD材料表面改性
在这些方法中，低温等离子体法因其设备条件要求低，处理效率高，物污染等特点，相比于弧光放电和电晕放电来说，更适合于大规模工业化操作，因此这方面的研究越来越引起国内外的广泛关注。
1.1.2国内外现状及发展趋势
现在对于介质阻挡放电的研究方式主要有实验和模拟两种方式，随着计算机技术的不断发展，软件模拟逐渐成为DBD放电的主流模拟模式。借助一定的实验反应装置与仿真模型研究放电机制机理的，大大地提高了研究效率，并通过两者相互比较的方式，得出最优的设计参数，之后投入到大规模的工业生产中去。对于仿真模拟，研究时往往使用PSpice，但由于PSpice不能实现动态仿真，对于气隙放电的情况不能很好反应。所以，这也有待于人们的进一步研究。
现如今，国内外对于介质阻挡放电的研究方向主要集中在：
1）DBD放电特性及机理的研究：即通过光谱分析诊断，发光图像的拍摄，相应通过电流电压的测量和计算机仿真研究其相关特性及机理；
2）对于放电反应器的设计及优化：随着介质阻挡放电技术应用范围的不断扩大，其使用效率成为了一个至关重要的影响因素，如何设置反应器相关的电器参数，成为了提高反应器工作效率的关键。
在国外，很多研究小组例如：德国的Wagner小组等，对介质阻挡放电空间的电荷传输特性和做电气特性、击穿过程、微放电的形成与演化过程了大量的理论研究及实验模拟。在探究了DBD的放电特性时，使用了电压电流波形、Lissajous图形的测量和发光图像的拍摄的方式。
国内西安交通大学的方教授等在实验室建立了验装置，通过光电特性的测量和发光图像的拍摄研究了DBD的影响因素及等效电容的变化情况。
总之，DBD放电如今已广泛应用于臭氧发生器，环境工程，材料表面改造等领域，具有好的应用和科研前景，因此值得人们继续探索研究。
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