【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室湯潔課題組聯(lián)合華中科技大學強電磁技術全國重點實驗室，在氣體放電非平衡等離子體動力學前沿理論研究領域取得新進展。研究成果發(fā)表于美國物理學會(APS)旗下期刊《物理評論研究》(Physical Review Research)。文章第一作者為中國科學院西安光機所博士研究生劉穎華，通訊作者為湯潔研究員，西安光機所是第一完成和通訊單位，華中科技大學劉大偉教授參與此項研究工作。
 

　　非平衡大氣壓等離子體射流(APPJ)作為一種極具競爭力的等離子體器件，能夠?qū)⒇S富的活性物種從狹窄氣隙輸送至開放空間，對所處理的樣品幾乎沒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、痕量探測等領域具有廣泛的應用前景。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方式。眾多實驗表明，磁場可以有效促進APPJ的產(chǎn)生及APPJ中活性物種的生成，能顯著提升實際應用中APPJ工作效率。然而，現(xiàn)有的實驗診斷技術無法捕捉和表征同軸介質(zhì)阻擋放電APPJ在平行磁場中的微觀變化特征，以及APPJ中粒子的動力學行為。在平行磁場調(diào)控下，APPJ中電子的運動方式和漂移途徑、活性物種的時空分布演變特征、射流的傳播模式至今無法獲悉。
 

圖 平行磁場調(diào)控大氣壓等離子體射流(APPJ)特性及其作用機理
 

　　針對以上問題，研究團隊構(gòu)建了中性氣體流動、磁場以及等離子體的單向耦合模型，基于混合組分間對流擴散進程的非平衡等離子體理論，開展了平行磁場(~0.3 T)調(diào)控脈沖直流同軸DBD-APPJ動力學特性的仿真研究。理論研究表明，平行磁場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力學行為。研究發(fā)現(xiàn)了平行磁場調(diào)控導致介質(zhì)管內(nèi)等離子體鞘層變薄的現(xiàn)象，垂直于磁場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調(diào)控導致介質(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方向上擴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調(diào)控導致等離子體射流長度變短的異常特征，澄清了該特征的產(chǎn)生是緣于帶電粒子在平行磁場中沿方位角方向的E × B漂移。上述成果為磁場調(diào)控APPJ性能的提升提供了理論依據(jù)，為磁場調(diào)控增強APPJ技術的廣泛應用奠定理論基礎。
 

　　該成果得到國家自然科學基金以及陜西省自然科學基金的大力支持。