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直流辉光等离子体腔体放电特性仿真研究发布时间：2022-09-26T03:19:03.152Z 来源：《当代电力文化》2022年10期作者：王海云1，武佳2，刘少锋2 [导读] 直流辉光放电等离子体广泛应用于材料表面成分分析及镀层深度分析等领域王海云1，武佳2，刘少锋2河北大学电子信息工程学院保定 071002摘要：直流辉光放电等离子体广泛应用于材料表面成分分析及镀层深度分析等领域，等离子体电子密度直接影响离化及激发速率，同时它在放电腔体中的均匀性也与溅射的均匀性有关。
为了研究腔体内等离子体的放电特性，本文采用COMSOL Multiphysics仿真软件，基于流体力学方程对辉光放电等离子体的电子密度特性进行仿真研究。
研究结果表明，随着电极电流的增加等离子体电子密度整体增高，其轴向电子密度也在升高，且电子密度的均匀性随着电流的增加而变差；等离子体电子密度随着气压的增加而增加，径向电子密度的均匀性随着气压的增加而有轻微改善。
研究结果对指导直流辉光等离子体参与材料表面成分分析及镀层深度分析等具有重要意义。
1.引言直流辉光放电等离子体光谱仪广泛应用于材料表面成分分析、纵深方向定量分析、镀层表征分析等领域。
直流放电产生的氩离子轰击样品表面，使得大量样品原子被溅射出，被溅射出的样品原子与电子碰撞激化从而发出特征光谱，通过检测光谱即可定性分析样品表面含有的特征元素。
在对材料表面进行逐层成分分析时，溅射速率和均匀性是极其关键的工艺指标，而等离子体电子密度将会直接影响激发的溅射速率，同时放电腔室内等离子体径向分布的均匀性也会影响溅射的均匀性。
因此，研究放电腔室内的等离子体特征分布对指导溅射工艺控制具有重要意义。
直流辉光等离子体放电腔室中的放电条件（电极电压、电流以及腔室内的气压）和放电结构共同决定了等离子体分布特征，本文以内径15mm的直流辉光放电腔体作为研究对象，采用COMSOL仿真研究电流、腔室气压对等离子体电子密度的影响规律，为后续溅射控制提供指导。
·等离子体及应用技术·不同电极结构下大气压Ar 等离子体射流的流体模拟研究*蒋园园， 王艳辉， 高彩慧， 王德真（大连理工大学 三束材料改性教育部重点实验室，辽宁 大连 116024）摘 要： 采用二维轴对称流体模型对比研究了3种不同电极结构下大气压Ar 等离子体射流的基本特性。
第一种是带绝缘介质的针电极结构（电场方向和气体流方向平行），第二种是在第一种电极结构的介质管外增加一个垂直气流方向的接地环电极，第三种是不带绝缘介质的裸针电极结构。
研究结果表明，接地环电极的引入对介质管内外的射流传播影响不同。
在介质管内，接地环电极使管内表面附近的径向电场增加，电子密度升高，射流传播速度加快，但对中心轴附近的电场和电子密度影响很小；然而在介质管外，接地环电极的引入导致轴向和径向电场均减小，从而引起射流的传播长度减小，射流通道径向收缩。
通过带绝缘介质的针电极和裸针电极结构的对比研究发现，保持其他条件不变，去掉包裹在针电极上的介质后，由于等离子体电势升高，电场增加，射流的传播长度几乎增加一倍，峰值电子密度增加近一个数量级，而且在整个射流通道内电子密度都保持相对高的值。
此外，对3种电极结构下的主要活性粒子的产生和输运进行了比较研究。
关键词： 大气压Ar 等离子体射流； 电极结构； 二维模拟； 活性粒子中图分类号： O531 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.210148Numerical study of atmospheric pressure Ar plasma jetsunder different electrode structuresJiang Yuanyuan ， Wang Yanhui ， Gao Caihui ， Wang Dezhen（Key Laboratory of Materials Modification by Laser , Ion and Electron Beams (Ministry of Education ),School of Physics , Dalian University of Technology , Dalian 116024, China ）Abstract ： In this paper, the basic properties of the atmospheric pressure Ar plasma jet with three different electrode structures are comparatively studied using a two-dimensional axisymmetric fluid model. The results show that the introduction of the grounded ring electrode affects the jet propagation both inside and outside the dielectric tube. Inside the dielectric tube, the grounded ring electrode increases the radial electric field near the inner surface of the tube, leading to the increase of the electron density and jet propagation length. However, it has a slight effect on the electric field and electron density near the central axis. Outside the dielectric tube, the introduction of the grounded ring electrode results in the reduction of the electric field both in axial and radial directions. This inevitably causes the decrease of the jet propagation length and a contraction of the jet channel radius. For the bare needle electrode structure, the removal of the medium wrapped around the needle electrode increases the electric field due to the elevated plasma potential. This makes the increase of the jet propagation length. The peak electron density in the jet channel increases about one order of magnitude. Meanwhile, the electron density in the whole channel is relatively higher in the bare needle electrode structure. In addition, the production and transport of the main active particles under the three electrode structures are comparatively studied.Key words ： atmospheric pressure Ar plasma jet ； electrode structure ； 2D simulation ； reactive particle* 收稿日期：2021-04-16； 修订日期：2021-05-25基金项目：国家自然科学基金项目（11775043，11675095，11505020）作者简介：蒋园园（1991—），女，博士研究生，主要从事大气压等离子体射流的数值模拟研究。
