磁控等离子体一维射流阵列仿真

王长全

(北京劳动保障职业学院 城市安全与应急管理系，北京 100029)

1 引言

自1996年美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi博士[1]首次报道用大气压放电等离子体射流型等离子体(Atmospheric Plasma Jet, APPJ)杀灭致病细菌以来，与传统的气体放电等离子体相比，APPJ的最大优势是它通过强气流将等离子体“吹”出放电区，直接喷射在大气环境中，使等离子体与高压电极分离，提高了安全性；同时它还具有放电温度低，放电装置灵活，化学活性可控性好、处理试样尺寸不受限制等方面的特点，因此在生物医疗、材料表面改性等方面具有广阔的应用前景[2～3]。但目前研究中采用的射流装置中产生的等离子体体积较小，其处理面积一般不超过几平方毫米，小尺度的缺点限制了其工业应用前景。为了产生更适应实际应用的较大面积的射流源，最近几年，研究者们对射流放电进行大尺度扩展，以多个小尺度的射流为基本单元，将它们并联排列起来获得较大面积等离子体，称为射流阵列[4～9]。

为了提升其应用前景，研究者们都在寻求增强其放电效果的方法。其放电的关键是放电中电场强度的大小。某些研究者[10～12]探索了采用磁场约束的方式提高介质阻挡放电等离子体的放电效果。但是，未对磁场对电场强度的影响进行定量的分析。此处，利用仿真软件Ansoft对磁控等离子体一维射流阵列进行了建模和仿真，较深入地研究了磁场对射流等离子体阵列极间电压和电场强度的影响。

2 一维等离子体射流阵列结构及仿真模型

2.1 一维等离子体射流阵列结构

利用单个射流的电极结构，将多个点状的单个射流排列在一条直线上，就构成一维线状排列的一维射流阵列。由5个单元组成的一维射流阵列的结构如图1所示[4]。

图1 一维射流阵列示意

2.2 一维等离子体射流阵列仿真模型

为了研究的方便，此处采用铜电极做高压电极，石英管做阻挡介质，不锈钢板做接地电极，用NeFd35永久磁铁做约束磁场，其内径为30 mm，外径为40 mm，高度10 mm。所建立的等离子体射流的有限元模型如图2所示。仿真时，给上电极施加10 kV电压，下接地电极电压为0 V。

图2 有无磁铁时的等离子体射流阵列有限元模型

3 一维等离子体射流阵列仿真结果及分析

3.1 磁场对极间电压分布的影响

为了分析磁控条件下，磁场对射流阵列电极间电压的影响，将高压电极的电压激励设为10 kV，仿真分析了有无磁场时的极间电压分布情况，仿真结果如图3所示。

图3 有无磁铁时的电压分布比较

由图3可以看出，有磁铁和无磁铁时，上电极电压最大值没有变化，只是极间不同位置的电压的分布范围发生了一定的变化。

3.2 磁场对极间电场强度分布的影响

在上电极电压不不变的情况下，为了分析磁场对射流阵列电极间电场强度的影响，仿真分析了有无磁场时的极间电场强度分布情况，仿真结果如图4所示。

图4 有无磁铁时的电场强度分布比较

从图4中可以看出，无磁铁时的电场强度最大值为787330 V/m，而有磁铁的为1042100 V/m，由于磁场的约束，电场强度提升了32.4%，这说明对于所建立的3个射流单元组成的一维射流阵列，磁场约束的效果比较明显。

为了更深入地分析磁场对极间电场强度的影响，此处，也对YZ截面的电场强度进行了仿真分析，结果如图5所示。

图5 有无磁铁时的YZ截面电场强度分布比较

由图5可知，无磁铁时的电场强度最大值为593530 V/m，有磁场约束的电场强度最大值为836260 V/m，电场强度的提升幅度约为40.9%，这进一步说明了，磁场约束可以有效提高等离子体射流阵列的放电效果。

根据能量守恒关系，当磁场施加于放电电极之间时，电极之间的电荷收到洛伦兹力的作用，根据电磁关系，当带电体受力有某一方向的分量时，则沿该方向的移动将导致电场能量增加，从而导致电场强度增加。

4 结语

通过对有无磁场约束的等离子体一维射流阵列建模与仿真分析，得出以下结论。

(1) 磁场不改变高压电极的电压幅值，仅改变其分布范围。

(2) 磁场约束能有效提升极间电场强度的幅值，说明磁控等离子体射流阵列能有效提升等离子体的放电效果。