磁控等離子體一維射流陣列仿真

王長全

(北京勞動保障職業學院 城市安全與應急管理系，北京 100029)

1 引言

自1996年美國弗吉尼亞老道明大學的Laroussi博士[1]首次報道用大氣壓放電等離子體射流型等離子體(Atmospheric Plasma Jet, APPJ)殺滅致病細菌以來，與傳統的氣體放電等離子體相比，APPJ的最大優勢是它通過強氣流將等離子體“吹”出放電區，直接噴射在大氣環境中，使等離子體與高壓電極分離，提高了安全性；同時它還具有放電溫度低，放電裝置靈活，化學活性可控性好、處理試樣尺寸不受限制等方面的特點，因此在生物醫療、材料表面改性等方面具有廣闊的應用前景[2～3]。但目前研究中采用的射流裝置中產生的等離子體體積較小，其處理面積一般不超過幾平方毫米，小尺度的缺點限制了其工業應用前景。為了產生更適應實際應用的較大面積的射流源，最近幾年，研究者們對射流放電進行大尺度擴展，以多個小尺度的射流為基本單元，將它們并聯排列起來獲得較大面積等離子體，稱為射流陣列[4～9]。

為了提升其應用前景，研究者們都在尋求增強其放電效果的方法。其放電的關鍵是放電中電場強度的大小。某些研究者[10～12]探索了采用磁場約束的方式提高介質阻擋放電等離子體的放電效果。但是，未對磁場對電場強度的影響進行定量的分析。此處，利用仿真軟件Ansoft對磁控等離子體一維射流陣列進行了建模和仿真，較深入地研究了磁場對射流等離子體陣列極間電壓和電場強度的影響。

2 一維等離子體射流陣列結構及仿真模型

2.1 一維等離子體射流陣列結構

利用單個射流的電極結構，將多個點狀的單個射流排列在一條直線上，就構成一維線狀排列的一維射流陣列。由5個單元組成的一維射流陣列的結構如圖1所示[4]。

圖1 一維射流陣列示意

2.2 一維等離子體射流陣列仿真模型

為了研究的方便，此處采用銅電極做高壓電極，石英管做阻擋介質，不銹鋼板做接地電極，用NeFd35永久磁鐵做約束磁場，其內徑為30 mm，外徑為40 mm，高度10 mm。所建立的等離子體射流的有限元模型如圖2所示。仿真時，給上電極施加10 kV電壓，下接地電極電壓為0 V。

圖2 有無磁鐵時的等離子體射流陣列有限元模型

3 一維等離子體射流陣列仿真結果及分析

3.1 磁場對極間電壓分布的影響

為了分析磁控條件下，磁場對射流陣列電極間電壓的影響，將高壓電極的電壓激勵設為10 kV，仿真分析了有無磁場時的極間電壓分布情況，仿真結果如圖3所示。

圖3 有無磁鐵時的電壓分布比較

由圖3可以看出，有磁鐵和無磁鐵時，上電極電壓最大值沒有變化，只是極間不同位置的電壓的分布范圍發生了一定的變化。

3.2 磁場對極間電場強度分布的影響

在上電極電壓不不變的情況下，為了分析磁場對射流陣列電極間電場強度的影響，仿真分析了有無磁場時的極間電場強度分布情況，仿真結果如圖4所示。

圖4 有無磁鐵時的電場強度分布比較

從圖4中可以看出，無磁鐵時的電場強度最大值為787330 V/m，而有磁鐵的為1042100 V/m，由于磁場的約束，電場強度提升了32.4%，這說明對于所建立的3個射流單元組成的一維射流陣列，磁場約束的效果比較明顯。

為了更深入地分析磁場對極間電場強度的影響，此處，也對YZ截面的電場強度進行了仿真分析，結果如圖5所示。

圖5 有無磁鐵時的YZ截面電場強度分布比較

由圖5可知，無磁鐵時的電場強度最大值為593530 V/m，有磁場約束的電場強度最大值為836260 V/m，電場強度的提升幅度約為40.9%，這進一步說明了，磁場約束可以有效提高等離子體射流陣列的放電效果。

根據能量守恒關系，當磁場施加于放電電極之間時，電極之間的電荷收到洛倫茲力的作用，根據電磁關系，當帶電體受力有某一方向的分量時，則沿該方向的移動將導致電場能量增加，從而導致電場強度增加。

4 結語

通過對有無磁場約束的等離子體一維射流陣列建模與仿真分析，得出以下結論。

(1) 磁場不改變高壓電極的電壓幅值，僅改變其分布范圍。

(2) 磁場約束能有效提升極間電場強度的幅值，說明磁控等離子體射流陣列能有效提升等離子體的放電效果。