摘" 要:為了探究放電參數(shù)對氧氣環(huán)境下空心陰極放電特性的影響,本文采用流體模型對氧氣環(huán)境下的空心陰極放電進行了模擬研究.放電過程中包含11種粒子和48種反應(yīng),分析了氣壓、電壓對電勢、電場強度、平均電子能量、粒子密度等放電特性的影響.研究表明,氣壓和電壓對放電中的等離子體參量具有重要影響.隨著氣壓的升高,負輝區(qū)面積增大,陰極位降區(qū)徑向電場強度增強,陰極位降區(qū)電子平均能量峰值降低,空心陰極效應(yīng)減弱;電子和O+2離子密度峰值升高,電子在負粒子中所占比重增加;活性粒子O、O2(a1Δg)和O(1D)密度峰值升高,負輝區(qū)內(nèi)3種活性粒子隨氣壓變化規(guī)律不同.隨著電壓的升高,陰極所對應(yīng)負輝區(qū)逐漸分離,陰極位降區(qū)電場強度和電子能量增長,電子和O+2 離子密度峰值以及電子在負粒子中所占比重逐步升高,密度峰值逐漸分離,空心陰極效應(yīng)減弱;放電區(qū)間的活性粒子密度升高.結(jié)果同時表明電壓對空心陰極效應(yīng)的影響要弱于氣壓的影響.
關(guān)鍵詞:空心陰極放電;氧氣放電;數(shù)值模擬;氣壓和電壓
中圖分類號:O531""" 文獻標志碼:A""" 文章編號:10001565(2024)05046710
DOI:10.3969/j.issn.10001565.2024.05.003
Effect of discharge parameters on the characteristics of hollow cathode discharge in oxygen
GUAN Jingbo, QIAO Yinyin, ZHAO Lifen, HE Shoujie
(College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)
Abstract: In order to explore the effect of discharge parameters on the discharge characteristics of hollow cathode in oxygen, the hollow cathode discharge in oxygen is simulated by using a fluid model. The discharge process contains 11 particles and 48 reactions. The effects of pressure and voltage on discharge characteristics such as electric potential, electric field, average electron energy, and particle density are investigated. The results show that pressure and voltage have important effects on plasma parameters in discharge. With the increase of pressure, the area of the negative glow region expands, the radial electric field in the cathode sheath increases, the peak average electron energy in the cathode sheath decreases, the hollow cathode effect weakens, the peak density of electrons,O+2 ions,active particles O,O2(a1Δg),O(1D) increases. The change of three active particles in the negative glow region exhibit different trends of change with pressure. The proportion of electrons in negative particles increases with increasing of pressure. As the voltage increases, the negative glow region gradually separates, the electric field intensity
收稿日期:20230718;修回日期:20230919
基金項目:
國家自然科學(xué)基金資助項目(U23A20678);河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2021201037;E2022201057); 河北大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(2023122)
第一作者:管靜博(1999—),男,河北大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事空心陰極放電方向研究.E-mail:2023244295@qq.com
通信作者:何壽杰(1979—),男,河北大學(xué)副教授,博士,主要從事氣體放電方向研究.E-mail:heshouj@hbu.edu.cn
and electron energy in the cathode sheath increases. The peak density of electrons and O+2 ions, the proportion of electrons in negative particles gradually increases, the density peak gradually separates, the hollow cathode effect weakens. The active particles also increase with pressure. The results also indicate that the influence of voltage on the hollow cathode effect is weaker than that of pressure.
Key words: hollow cathode discharge; oxygen discharge; numerical simulation; pressure and voltage
輝光放電是一種常見的自持放電現(xiàn)象,輝光放電可以在低功率下產(chǎn)生高活性、高密度、均勻穩(wěn)定的等離子體,已被應(yīng)用于光譜分析、醫(yī)療殺菌、表面改性等多個領(lǐng)域[1].
氧氣放電由于可以產(chǎn)生大量活性粒子,人們在不同放電結(jié)構(gòu)中對其進行了廣泛研究.Panda 較早地對氧負離子在氧放電中的反應(yīng)機制進行了研究,模擬研究了余輝中氧負離子和電子密度的時間行為[2].商克峰等[3]設(shè)計了一種沿面/體復(fù)合介質(zhì)阻擋放電裝置,研究了放電氣隙和氣體流量等對臭氧生成的影響.Leshkov等[4]根據(jù)電流-電壓關(guān)系估算了Ar/O2混合氣體下電子密度、等離子體電勢和平均電子能量的徑向相關(guān)和時間依賴性.Shimazaki等[5]通過使用氦氧混合氣體的空心陰極直流輝光放電,對Co-28Cr-6Mo合金進行等離子體表面處理.
空心陰極放電是一種特殊電極結(jié)構(gòu)下的輝光放電[6-7].當兩陰極板靠近使負輝區(qū)相互重疊,陰極發(fā)射的電子經(jīng)過陰極板陰極位降區(qū)加速,同時被另一塊陰極板陰極位降區(qū)減速,使電子在兩陰極板之間來回“擺動”,加速電子雪崩過程導(dǎo)致電流升高.空心陰極按其電子激發(fā)方式可以分為高溫空心陰極放電和低溫空心陰極放電.對于高溫空心陰極放電一般陰極外部有輔助加熱裝置,從而使陰極產(chǎn)生熱電子發(fā)射,其電流可以達到安培甚至幾百安培,其離子溫度可以達到幾十eV[8-9].低溫空心陰極放電電子的產(chǎn)生主要依靠陰極所加電壓,從而在放電空間產(chǎn)生的碰撞電離,電流一般在微安到毫安量級,離子溫度和氣體溫度接近[10-11].
目前學(xué)者對惰性氣體環(huán)境下的空心陰極放電研究較多,而對于含氧氣體環(huán)境下的空心陰極放電特性研究較少.特別是氣壓和電壓對其微觀放電機制的影響未見報道.本文研究了氧氣環(huán)境下放電氣壓和電壓對電勢、電場強度、平均電子能量、粒子密度等放電特性的影響.
1" 數(shù)值模型
圖1為放電結(jié)構(gòu)示意.陰極由一直徑1.0 cm、長度 1.0 cm的圓柱筒組成.陽極為直徑1.0 cm的圓盤.陰極
和2個陽極面之間的間隔為0.05 cm.背景氣體假設(shè)為氧氣,氣壓為173~665 Pa,陰極
電壓為0 V,陽極電壓可調(diào).建立坐標如圖1所示.
本文參考已有其他形式氧氣環(huán)境下氣體放電的模擬研究[12],選擇了11種粒子:O2、e(電子)、O-、O+2、O-2、O-3、O+4、O、O(1D)、O2(a1Δg)和O3.本模型涉及48種反應(yīng)過程,包括直接電離、基態(tài)激發(fā)、兩體碰撞、三體碰撞、解激發(fā)等反應(yīng),具體反應(yīng)過程參見文獻[13].
本文所用流體模型方程組包括粒子和電子平均能量的連續(xù)性方程、輸運方程以及泊松方程[14].
粒子連續(xù)性方程
njt+·Jj=Sj,(1)
neεet+·Jεe=Sε,(2)
其中:nj為粒子密度,j=e、p、n和m時分別表示電子、正離子(O+2、O+4)、負離子(O-、O-2 和 O-3)和中性粒子(O、O(1D)、O2(a1Δg)、O3); neεe代表電子能量密度;εe是電子平均能量;Sj和Sε分別為不同粒子和電子能量的凈產(chǎn)生項;Jj和Jεe分別代表粒子流和電子能量流密度.
Jj和Jεe的表達式分別為
Jj=αμjnjE-Djnj,(3)
Jεe=53ueneεeE-53De(neεe),(4)
其中:μj和Dj分別為粒子的遷移率和擴散系數(shù);E為電場強度.對于負粒子、正粒子和中性粒子分別為-1、1和0.
電勢φ通過泊松方程計算得到
2φ=qe(np-ne)ε,(5)
其中,ε表示氧氣介電常數(shù).本模型邊界條件參見文獻[15].
本模型通過 Shcafetter-Gummel 有限差分法對連續(xù)性方程進行聯(lián)立求解,并使用半隱式格式對泊松方程和電場強度進行計算.
2" 模擬結(jié)果
2.1" 氣壓對空心陰極放電特性的影響
本節(jié)除氣體壓強外其他放電參數(shù)一致,陽極電壓為500 V,氣體壓強 p為173~665 Pa.
圖2為不同氣壓下電勢二維分布.圖3給出了不同氣壓下,z=5.5 mm處一維徑向電場分布.如圖2所示,整個放電區(qū)域分為陰極位降區(qū)和負輝區(qū).氣壓由173 Pa增大到399 Pa時,負輝區(qū)區(qū)域面積明顯增大,
陰極位降區(qū)相應(yīng)的變窄.氣壓為173 Pa,陰極位降區(qū)厚度約為4.1 mm.氣壓增大到665 Pa時,兩側(cè)陰極所對應(yīng)的負輝區(qū)發(fā)生分離,陰極位降區(qū)厚度變?yōu)?.3 mm.極間電壓降主要位于陰極位降區(qū).當氣壓為173 Pa時,隨著向負輝區(qū)的靠近,電勢由兩側(cè)陰極電極處的0 V快速上升到486 V,因此徑向電場在該區(qū)域很強,如圖3,其峰值達到約2.1 kV/cm.隨著氣壓增大,鞘層內(nèi)電勢降落的梯度不斷增大,因此徑向電場強度不斷增大,峰值由173 Pa時的2.1 kV/cm增大到665 Pa時的7.1 kV/cm.相對于陰極位降區(qū)來說,負輝區(qū)電場強度的變化不明顯.
利用電勢的分布特性可以定性判斷空心陰極效應(yīng)的強弱,兩側(cè)陰極對應(yīng)的負輝區(qū)出現(xiàn)分離,表明空心陰極效應(yīng)減弱[6-7].隨著氣壓的不斷升高,振蕩電子會進一步減少,導(dǎo)致陰極位降區(qū)變得越來越薄,最終負輝區(qū)會完全分開,空心陰極效應(yīng)消失.
圖4為不同氣壓下,z=5.5 mm處電子平均能量一維徑向分布.如圖4所示,隨著氣壓的增大,陰極位降區(qū)電子平均能量降低,氣壓由173 Pa升高到665 Pa,相應(yīng)電子平均能量峰值由50.3 eV降低到41.3 eV,同時電子平均能量峰值逐漸向陰極方向移動.隨著氣壓升高,電子的平均自由程減少,更多的電子留在鞘層經(jīng)歷更頻繁的碰撞,沒有足夠的時間獲得更多的能量,因而電子平均能量降低.陰極位降區(qū)的電子平均能量顯著高于負輝區(qū).不同氣壓下,負輝區(qū)區(qū)域的電子平均能量均約為1 eV,相對于陰極位降區(qū),負輝區(qū)電子平均能量隨氣壓的變化很小.
圖5為不同氣壓下z=5.5 mm處電子密度一維空間分布圖.由圖5可知,氣壓在173~399 Pa變化時,電子密度峰值不斷增大,高密度區(qū)域不斷向周圍擴大,但密度峰值始終處于放電單元中心處.氣壓為173 Pa時,電子密度峰值為8.8×1010 cm-3;氣壓為399 Pa時,電子密度峰值為6.5×1011 cm-3.氣壓繼續(xù)增大到665 Pa時,密度峰值發(fā)生分離,呈現(xiàn)關(guān)于r=5 mm對稱的雙峰值分布,為1.0×1012 cm-3,這進一步說明,隨著氣壓的升高空心陰極效應(yīng)減弱.
圖6為不同氣壓時z=5.5 mm處 O-離子密度一維分布圖.由圖6可知,氣壓為173~266 Pa時,O-離子密度峰值位于放電單元中心處;氣壓升高到399 Pa,O-離子密度峰值沿徑向分離成2部分;氣壓升高到665 Pa時,密度峰值繼續(xù)沿徑向分離.另外,隨著氣壓的升高,O-離子密度峰值先減小后增大.在氣壓為173~399 Pa時,O-離子密度隨氣壓升高而減小,氣壓為173和399 Pa時,O-離子密度峰值分別為3.1×1011和 1.4×1011 cm-3.當氣壓大于399 Pa時,密度峰值隨氣壓升高又有所增大,665 Pa時,O-離子密度峰值為3.3×1011 cm-3.O-離子密度峰值非單調(diào)變化,與其生成損耗機制密切相關(guān).碰撞解離反應(yīng) Rg: e+ O2 →O- +O和正負離子復(fù)合反應(yīng)Rc: O- + O+2→ 3O是 O-離子生成、損耗的最主要途徑.圖7給出了不同氣壓下,z=5.5 mm處,O-離子生成反應(yīng)和損耗反應(yīng)速率的一維徑向分布.由圖7可知,隨著氣壓升高,O-離子生成速率峰值逐漸分離,并不斷增大;O-離子消耗速率峰值同樣發(fā)生了分離,峰值先減小后增大.氣壓為173~399 Pa時,在放電中心位置附近,生成反應(yīng)Rg 速率要小于消耗反應(yīng)Rc速率,O-離子密度主要受消耗速率影響,因此,O-離子密度峰值逐漸下降;氣壓升高到665 Pa時,生成反應(yīng) Rg速率整體高于消耗反應(yīng)Rc速率,2個反應(yīng)的共同作用使得O-離子密度峰值又有所增大.
圖8為不同氣壓時z=5.5 mm處 O+2離子密度一維空間分布圖.如圖8所示,隨著氣壓升高,O+2離子密度峰值不斷增大,氣壓為173、266、399、655 Pa時,密度峰值分別為4.0×1011、6.5×1011、7.3×1011、1.2×1012 cm-3.不同氣壓下 O+2離子密度分布特性與電子密度分布特性相似.本模型中電子和 O-離子是主要負粒子,O+2離子是主要的正粒子.隨著氣壓的升高,電子密度一直升高,O-密度先降低后微
弱上升,而O+2密度是一直上升的,因此隨著氣壓的升高,電子在負粒子中所占比重逐漸增加.
在氧氣放電中存在大量的活性粒子,包括氧原子O、激發(fā)態(tài)O2(a1Δg)和O(1D)以及臭
氧O3.本模型不同氣壓下4種活性粒子按密度由高到低分別為Ogt;O2(a1Δg)gt;O(1D)gt;O3,其中臭氧原子密度要低于其余3種活性粒子1~3個數(shù)量級.圖9為不同氣壓時z=5.5 mm處,O、O2(a1Δg)和O(1D)密度一維分布.由圖9a可知,氣壓由173 Pa升高到665 Pa,氧原子密度峰值隨氣壓的升高而增大.由圖9b可知,O2(a1Δg)密度分布隨氣壓的變化與氧原子的變化相似,峰值大小隨氣壓的升高不斷增大,O2(a1Δg)密度峰值在氣壓升高到266 Pa時發(fā)生分離.隨著氣壓的增大,O(1D)密度始終關(guān)于r=5 mm呈對稱雙峰值分布,峰值密度不斷升高.但是放電中心處密度不斷降低,如圖9c.本模型中O(1D)主要源于反應(yīng)e+O2→O+O(1D)+e.圖10給出了不同氣壓下,z=5.5 mm 處該反應(yīng)速率的一維徑向分布.顯然,在放電中心處,隨著氣壓升高,O(1D)生成速率逐漸降低,而靠近陰極附近生成速率逐漸升高,因此造成O(1D)密度隨氣壓如上所述變化趨勢.
2.2" 電壓對空心陰極放電特性的影響
本節(jié)模擬結(jié)果除電壓外其他參數(shù)不變,氣體壓強假設(shè)為399 Pa.陽極電壓的變化范圍為400~700 V.
圖11為不同電壓時電勢的二維空間分布.圖12同時給出了不同電壓下z=5.5 mm處一維徑向電場分布.隨著電壓增大,整個放電空間的電勢升高;陰極鞘層的電勢降增大,進而鞘層內(nèi)電場強度增強,峰值由3.2 kV/cm升高到6.7 kV/cm,負輝區(qū)電場強度變化不明顯.與增大氣壓時相似,電壓增大到700 V時兩側(cè)陰極所對應(yīng)的負輝區(qū)同樣發(fā)生了分離.
圖13為不同電壓下,z=5.5 mm處電子能量一維徑向分布.如圖13所示,陰極位降區(qū)電子能量隨著電壓增大顯著增大,電壓由400 V增大到700 V,相應(yīng)平均電子能量峰值由32.6 eV升高到67.6 eV.隨著電壓增加,鞘層內(nèi)電場逐漸增強,如圖12所示,鞘層內(nèi)電子通過歐姆加熱可以獲得更高能量,因此電子能量逐漸升高.隨著放電電壓的增大,電子能量在負輝區(qū)區(qū)域變化不大,與增大氣壓時相似.另外,在不同電壓下,陰極位降區(qū)電子能量最大值始終位于r=0.6 mm/9.4 mm.結(jié)合徑向電場分布圖12,同時參考氣壓對空心陰極放電的影響可知,電壓對空心陰極效應(yīng)的影響要弱于氣壓的影響.
圖14為不同電壓下,z=5.5 mm處電子密度一維空間分布.由圖14可知,電壓在400~600 V變化時,電子密度高密度區(qū)域不斷向周圍擴大,同時其峰值不斷增大,由2.8×1011 cm-3增大到9.9×1011 cm-3.電壓為600 V時,電子密度出現(xiàn)較明顯的分離趨勢,但密度峰值仍處于放電單元中心處.電壓增大到700 V時,密度峰值已完全分離,呈現(xiàn)關(guān)于r=5 mm對稱的雙峰值分布,峰值大小又有所增加,為1.2×1012 cm-3.
圖15為不同電壓下,z=5.5 mm處O-離子密度一維空間分布.由圖15可知,隨著電壓的增加,O-離子密度峰值不斷增大,且密度峰值沿軸向分離趨勢不斷變大.
圖16為不同電壓下,z=5.5 mm處O+2離子密度一維空間分布.由圖16可知,隨著電壓的
增大O+2離子密度峰值不斷增大.同時可以發(fā)現(xiàn),電壓越大,負輝區(qū) O+2離子高密度區(qū)域分離趨勢越明顯,在所研究范圍內(nèi)還未完全分離.隨著電壓的升高,電子、O-離子、O+2離子密度均不斷增大,但電子密度增大程度強于O-離子.與增大氣壓得到了相同的結(jié)果,增大電壓使電子在負粒子中所占比重逐步升高.
圖17為不同電壓下,z=5.5 mm處O、O2(a1Δg)和O(1D)密度一維分布.不同電壓下,O、O2(a1Δg)、O(1D)密度的分布特征未發(fā)生明顯變化:密度峰值已完全分離,分別靠近兩側(cè)陰極分布.氧原子和O(1D)密度隨電壓的增加不斷升高,如圖17a和17b所示.隨著電壓的升高,陰極位降區(qū)O2(a1Δg)密度不斷增加.電壓升高到600、700 V時,負輝區(qū)O2(a1Δg)密度不再升高,600 V時放電中心處O2(a1Δg)密度相對于500 V時有所降低,為3.9×1011 cm-3.然后隨著電壓升高O2(a1Δg)密度又隨之升高,700 V時放電中心處O2(a1Δg)密度為4.4×1011 cm-3,如圖17c.
3" 結(jié)論
1)隨著氣壓和電壓的升高,放電空間負輝區(qū)區(qū)域面積明顯增大,陰極位降區(qū)相應(yīng)變窄,空心陰極效應(yīng)減弱;氣壓、電壓分別升高到665 Pa、700 V時,兩側(cè)陰極所對應(yīng)的負輝區(qū)發(fā)生分離;陰極位降區(qū)電場強度明顯增強,負輝區(qū)場強基本保持不變.隨著氣壓的升高,鞘層內(nèi)電子平均能量降低.隨著電壓的增大,鞘層內(nèi)電子平均能量升高. 2)隨著氣壓和電壓的升高,電子密度在整個放電單元內(nèi)明顯增加,但密度峰值沿徑向出現(xiàn)分離;O+2離子密度峰值不斷增大.隨著氣壓的升高,O-離子密度峰值先減小后增大,與其生成機制基態(tài)電離反應(yīng)Rg (e+O2→O-+O)和損耗機制正負離子復(fù)合反應(yīng)Rc (O-+O+2→3O)密切相關(guān).隨著電壓的增大,O-離子密度峰值則不斷升高. 3)隨著氣壓和電壓的升高,活性粒子O、O2(a1Δg)和O(1D)密度峰值升高. 4)氣壓對空心陰極效應(yīng)的影響要強于電壓的影響.
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(責(zé)任編輯:孟素蘭)