电极结构对于大气压低温等离子体射流初始电场的影响*

户玎岚，杨兰兰（东南大学电子科学与工程学院，南京 210096）

大气压等离子体射流APPJ（Atmospheric Pres⁃sure Plasma Jet）是近年来兴起的一种新的低温等离子体产生技术，是目前国际上等离子体放电科学领域的一个研究热点。APPJ因具有无需真空系统，操作简单，可控性好，成本低廉，低温，产生的活性粒子平均浓度高等优点，在材料表面处理［1-2］与生物医学［3-4］等领域得到了广泛的应用。

大气压低温等离子体射流是采用特殊电极结构，利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，形成大气压非平衡等离子体射流，然后利用其产生的各种自由基、带电粒子、紫外线等共同作用在被处理物上，从而得到各种所需的处理效果。因此，它的发展离不开对喷射气流和等离子体放电机制及特性的理解和把握。在实际应用中，射流长度在很大程度上限制了AP⁃PJs的应用，因此研究影响大气压下射流等离子体放电长度的不同因素并系统地分析其作用机理对于提高射流放电的可控性增强适用性具有重要的意义。目前已有诸多学者对大气压下射流放电长度的影响因素进行了研究。华中科技大学的卢新培教授课题组采用射频电源和针孔射流管产生了11 cm的氦气射流体并采用ICCD拍摄光谱对其放

项目来源：江苏省自然科学基金项目（BK2012737）；国家自然科学基金项目（61271053，50907009）

本文基于COMSOL软件建立了等离子体射流器件的二维轴对称模型，求解了不同电极结构对等离子体射流电势及电场分布的影响，该电场参数对等离子体射流的特性有较大的影响。

1 结构模型

本文所研究的射流器件的几何结构，如图1所示，模型尺寸AB=CD=8 cm，BC=AD=2 cm，BK=3.9 cm，BE=EF=FG=IH=0.1 cm，JI=0.2 cm。其中BELK是针电极，上面施加6 kV的电压，FGHI是管壁，设置成石英硅的参数，整个区域内充满了氩气。AD和CD接地，BC采用Neumann边界条件封边。

图1 射流器件几何结构

本文对3种电极结构进行了仿真，分别如图2所示：（1）只有针电极；（2）针电极+环电极（壁上），环电极的长度有0.1 cm，0.2 cm，0.3 cm，0.4 cm共4种尺寸；（3）针电极+环电极（壁外），环电极距壁的距离有0.1 cm，0.5 cm，1 cm共3种尺寸。

图2 3种不同的电极结构示意图

2 模拟结果

2.1 针电极

图3、图4分别为只有针电极的时候的电势及电场分布图。可见，整体趋势是电势随着与针电极距离的增大而降低，越接近针电极的电势分布越密，即场强越大。在针电极上施加6 kV的电压时，电场最大值为37.442 kV/cm，位于针电极靠近壁的尖端出，实验证明，此时射流器件的放电通常由此处引发，如图5所示。

图3 电势等值线分布图

图4 电场分布图

图5 起始放电实验图

2.2 针电极+环电极（壁上）

环电极长度不同时的电势及电场分布图分别如图6和图7所示，由图可知，环电极的出现对周围的电势及电场产生了影响，环电极周围的电场变大，且最大场强也发生了变化，如表1所示。

表1 环电极距壁不同距离对应的最大场强

2.2 针电极+环电极（壁外）

环电极长度不同时的电势及电场分布图分别如图8和图9所示。

由图可知，环电极的出现对周围的电势及电场产生了影响，电极周围的电场变大，且最大场强也发生了变化，但随着环电极距壁的距离增大，影响减弱，如表2所示，其中当电极的距壁的距离为1 cm时，最大场强值还较只有针电极时的稍小，这是由于环电极距离较远，且宽度较窄，对电势分布的改变微弱，同时由于对径向电场的弱化作用，反而使总电场略有减小。

图6 电势等值线分布图

图7 电场分布图

图8 电势等值线分布图

图9 电场分布图

表2 不同环电极长度对应的最大场强

2.3 结果分析

从上述结果中可以看出，电极的位置及长度对于初始电场有较大的影响，只存在针电极时，电场强度值比较小，在壁上加上环电极后，最大电场强度值显著增大，且环电极的宽度对最大电场强度的大小也有影响，当在壁外加上环电极时，最大电场强度值也增大，但增加的幅度较环电极在壁上时的小，且随着环电极距壁的距离越来越远，产生的影响也越来越小。有文献指出电场分布越均匀、强电场区域越大的电极结构有利于抑制辉光放电向弧光放电的转变，有利于射流辉光等离子体的生成［11］。因此具体采用哪一种电极结构需要根据应用需要实际研究，并不能过于追求最大电场强度。但本文仅研究了电极结构对初始电场的影响，并未考虑放电的影响，实际上随着放电的进行，由于壁电荷和空间电荷的积累，空间电场会发生较大的变化。电场对等离子体射流特性的影响还需结合放电机理进行深入的研究。

3 总结

本文建立了等离子体射流器件的二维轴对称模型，研究了不同的电极结构对于初始电场的影响，电场分布对等离子体的长度有一定的影响，电场分布越均匀、强电场区域越大的电极结构有利于低温等离子体射流的产生，但电场对等离子体射流特性的影响还需结合放电机理进行深入的研究。

［1］Lommatzsch U，Pasedag D，Baalmam A，et al.At Mospheric Pres⁃sure Plasma Jet Treatment of Polyethylene Surface for Adhcsion Improvement［J］.Plasma Processes and Polymers，2007，4（S1）：1041-1045.

［2］Joo Hyon Noh，Hong Koo Baik，Insup Noh，et al.Surface Modifica⁃tion of Polytetra Fluoroethy Lene using Atmospheric Pressure Plasma Jet for Medical Application［J］.Surface and Coating Tech⁃nology，2007，201（9-11）：5097-5101.

［3］Walsh J L，Iza F，Janson N B，et al.Three Distinct Mode Sina Cold Atmospheric Pressure Plasmajet［J］.J Phys D：Appl Phys，2010，43（7）：075201.

［4］熊紫兰，卢新培，鲜于斌，等.大气压低温等离子体射流及其生物医学应用［J］.科技导报，2010，28（15）：97-105.

［5］XiongZilan，LuXinpei，XiongQing，et al.Measurement Softhe Propagation Velocity of an Atmospheric-pressure Plasma Plume by Various Methods［J］.IEEE Transactionson Plasma Science，2010，38（4）：1001-1006.

［6］Xiong Q，Lu Xinpei.Length Control of Heat Mospheric Plasma Jet Plumes：Effects of Discharge Parameters and Ambientair［J］.Physics of Plasmas，2009，16（4）：043505.

［7］江南，曹则贤.一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究［J］.物理学报，2010，59（5）：3324-3330.

［8］LiQing，LiJiangtao，Zhu Wenchao，et al.Effects of Gas Flow Rate on the Length of Atmospheric Pressure non Equilibrium Plasma Jets［J］.Applied Physics Letters，2009，95（14）：141502.

［9］张冠军，詹江杨，邵先军，等.大气压氩气等离子体射流长度的影响因素［J］.高电压技术，2011，37（6）：1432-1438.

［10］孙姣，张家良，王德真，等.一种新型大气压毛细管介质阻挡放电冷等离子体射流技术［J］.物理学报，2006（01）：344-350.

［11］刘文正，张蓉蓉，孙光亮.电场分布对射流等离子体生成特性的影响［J］.北京交通大学学报，2013，37（2）：104-113.

户玎岚（1991-），女，汉族，东南大学电子科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向为等离子体射流流体及放电特性，847127803@qq.com；

杨兰兰（1978-），女，汉族，东南大学电子科学与工程学院副教授，研究方向为物理电子学和显示科学与技术，jujube_yang@seu.edu.cn。