【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湯潔課題組聯(lián)合華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在氣體放電非平衡等離子體動(dòng)力學(xué)前沿理論研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表于美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)旗下期刊《物理評(píng)論研究》(Physical Review Research)。文章第一作者為中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所博士研究生劉穎華，通訊作者為湯潔研究員，西安光機(jī)所是第一完成和通訊單位，華中科技大學(xué)劉大偉教授參與此項(xiàng)研究工作。
 

　　非平衡大氣壓等離子體射流(APPJ)作為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的等離子體器件，能夠?qū)⒇S富的活性物種從狹窄氣隙輸送至開(kāi)放空間，對(duì)所處理的樣品幾乎沒(méi)有形狀和尺寸的限制，極大提高了等離子體器件的工作效率，在材料加工、生物醫(yī)學(xué)、痕量探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。同軸介質(zhì)阻擋放電(DBD)是產(chǎn)生非平衡大氣壓等離子體射流的常見(jiàn)方式。眾多實(shí)驗(yàn)表明，磁場(chǎng)可以有效促進(jìn)APPJ的產(chǎn)生及APPJ中活性物種的生成，能顯著提升實(shí)際應(yīng)用中APPJ工作效率。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)無(wú)法捕捉和表征同軸介質(zhì)阻擋放電APPJ在平行磁場(chǎng)中的微觀變化特征，以及APPJ中粒子的動(dòng)力學(xué)行為。在平行磁場(chǎng)調(diào)控下，APPJ中電子的運(yùn)動(dòng)方式和漂移途徑、活性物種的時(shí)空分布演變特征、射流的傳播模式至今無(wú)法獲悉。
 

圖 平行磁場(chǎng)調(diào)控大氣壓等離子體射流(APPJ)特性及其作用機(jī)理
 

　　針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了中性氣體流動(dòng)、磁場(chǎng)以及等離子體的單向耦合模型，基于混合組分間對(duì)流擴(kuò)散進(jìn)程的非平衡等離子體理論，開(kāi)展了平行磁場(chǎng)(~0.3 T)調(diào)控脈沖直流同軸DBD-APPJ動(dòng)力學(xué)特性的仿真研究。理論研究表明，平行磁場(chǎng)能夠在亞毫米空間尺度范圍改變等離子體射流的微觀特征，調(diào)控射流中帶電與活性粒子的動(dòng)力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)了平行磁場(chǎng)調(diào)控導(dǎo)致介質(zhì)管內(nèi)等離子體鞘層變薄的現(xiàn)象，垂直于磁場(chǎng)方向上電子遷移率的降低減少了介質(zhì)壁上累積的表面電子數(shù)是產(chǎn)生該現(xiàn)象的根本原因。研究揭示了平行磁場(chǎng)調(diào)控導(dǎo)致介質(zhì)管外環(huán)形等離子體通道中電子分布更加集中的行為，闡明了該行為源于帶電粒子在垂直于磁場(chǎng)方向上擴(kuò)散的減弱以及雪崩頭部電子洛倫茲力的徑向約束。研究觀察到平行磁場(chǎng)調(diào)控導(dǎo)致等離子體射流長(zhǎng)度變短的異常特征，澄清了該特征的產(chǎn)生是緣于帶電粒子在平行磁場(chǎng)中沿方位角方向的E × B漂移。上述成果為磁場(chǎng)調(diào)控APPJ性能的提升提供了理論依據(jù)，為磁場(chǎng)調(diào)控增強(qiáng)APPJ技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。
 

　　該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金以及陜西省自然科學(xué)基金的大力支持。