不同触发模式下伪火花开关触发机制的等离子体流体理论研究及其在AP-DBD中的电子加热机制分析

推荐：本研究基于等离子体流体理论建立大气压氩气射频介质阻挡放电(AP-DBD)的一维模型，重点探究二次电子发射(SEE)对放电特性的影响。研究人员通过电子动量方程将电子加热分解为电子压力加热和欧姆加热，发现SEE系数增加会显著提高等离子体密度，并促使放电模式从α-mode完全转变为γ-mode。该研究为优化AP-DBD在材料处理、环境治理等领域的应用提供了重要理论依据。

　　

在大气压介质阻挡放电(AP-DBD)技术广泛应用于材料处理、环境治理和等离子体生物医学等领域的背景下，如何通过优化二次电子发射(SEE)过程来提高等离子体性能成为关键科学问题。由于SEE过程直接影响放电的启动、维持以及能量分布，但现有研究多集中于低气压放电，对大气压条件下SEE机制的认识严重滞后于实际应用需求。

针对这一瓶颈问题，大连理工大学物理学院（Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion, and Electron Beams）的Ze-Hui Zhang等研究人员在《Vacuum》发表了创新性研究。团队基于等离子体流体理论，建立了大气压氩气射频介质阻挡放电的一维模型，通过电子动量方程的详细分解，首次系统揭示了SEE系数对放电模式转变和电子能量转换机制的影响规律。

研究采用流体建模结合漂移-扩散近似，通过连续性方程、电子能量平衡方程和泊松方程构建数学模型。关键技术包括：1）建立包含Ar⁺、e和Ar*三种粒子的流体模型；2）基于Boltzmann方程推导电子动量方程，将电子加热分解为压力加热(?p)和欧姆加热(Ohm)；3）采用隐式有限差分法求解方程组；4）通过Brinkmann鞘层准则确定鞘层边界。

研究结果部分：

1. 等离子体特性影响
   通过对比γ=0.01-0.2的模拟数据发现，SEE系数增加会使等离子体密度显著提升（电子和离子密度增加约30%），但电子温度变化不敏感。鞘层电场最大值随γ增大而升高，同时鞘层厚度从0.0435cm缩减至0.0285cm。

2. 放电模式转变
   时空电离率分布显示，当γ从0增至0.2时，电离区域从鞘层外边界(α-mode特征)完全转移至鞘层内部最大厚度处(γ-mode特征)。这种转变源于SEE过程产生的二次电子被鞘层电场加速，显著增强了鞘层内的电离过程。

3. 电子能量转换
   在忽略SEE(γ=0)时，电子压力加热在全域表现为冷却效应，欧姆加热占主导。当γ增至0.2时，鞘层附近的电子密度梯度发生反转，使该区域压力加热转为正值。时空能量分析表明，电子功率吸收位置随γ增加从鞘层外缘向内部迁移，与放电模式转变相互印证。

该研究首次系统阐明了大气压条件下SEE系数影响放电模式的定量规律，证实当γ从0增至0.2时，AP-DBD会完成从α-mode到γ-mode的完全转变。创新性地发现SEE过程会逆转鞘层区域的电子压力梯度，这一现象为理解大气压放电的能量转换机制提供了新视角。研究成果对优化DBD反应器设计、调控等离子体参数具有重要指导价值，特别是在需要高密度等离子体的材料表面处理和生物医学应用领域。研究建立的电子加热分解模型也为后续相关研究提供了可靠的理论框架。