大气压氩气射频介质阻挡放电中二次电子发射对放电特性的流体模拟研究及其在等离子体生物医学中的应用

推荐：研究人员通过建立1D流体模型，研究了二次电子发射(SEE)系数对大气压氩气射频介质阻挡放电(RF DBD)特性的影响。研究发现SEE系数升高会显著增加等离子体密度，并促使放电模式从α模式向γ模式转变。该研究揭示了电子压力加热和欧姆加热的协同作用机制，为优化等离子体生物医学应用提供了重要理论依据。

　　

在大气压条件下实现稳定可控的等离子体放电，一直是低温等离子体技术应用的难点。作为关键放电技术，大气压介质阻挡放电(AP-DBD)在材料处理、环境保护和等离子体生物医学等领域展现出巨大潜力。然而，由于大气压下粒子碰撞频率高，且不同介电材料的二次电子发射(Secondary Electron Emission, SEE)过程存在显著差异，使得放电特性的调控面临挑战。特别是SEE过程不仅影响放电的起始和维持，还直接关系到等离子体的化学活性和能量分布，但目前对SEE机制的认识仍滞后于实际应用需求。

针对这一科学问题，大连理工大学物理学院（教育部激光、离子束和电子束材料改性重点实验室）的研究团队开展了创新性研究。他们通过建立一维流体模型，系统研究了SEE系数对大气压氩气射频介质阻挡放电特性的影响，相关成果发表在《Vacuum》期刊上。研究采用漂移-扩散近似假设，基于等离子体流体理论构建模型，重点分析了SEE对等离子体参数、放电模式转变和电子能量转换过程的影响机制。

研究团队主要运用了以下关键技术方法：1）建立包含电子、离子和亚稳态原子的流体模型；2）基于玻尔兹曼方程推导电子动量方程，将电子加热分解为压力加热和欧姆加热；3）采用有限差分法对模型方程进行隐式离散求解；4）通过电离率时空分布判定放电模式转变。

研究结果部分，首先在等离子体特性方面发现：随着SEE系数从0.01增至0.2，等离子体密度显著提升，但电子温度响应不明显。电场分析显示，SEE系数增加导致鞘层厚度减小，鞘层内最大电场强度增加。

在放电模式转变方面，研究通过电离率时空分布证实：当忽略SEE过程（γ=0）时，放电呈现典型的α模式特征，电离主要发生在鞘层外边界；当γ增至0.2时，电离区域完全转移至鞘层内部，转变为γ模式。这种转变与离子通量和净电荷密度的变化密切相关。

电子能量转换机制的研究尤为深入：在忽略SEE时，电子压力加热实际上表现为冷却过程；随着γ增加，鞘层附近的电子密度梯度发生反转，压力加热开始转为正值。值得注意的是，无论SEE系数如何变化，欧姆加热始终是主导的加热机制。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了SEE过程对大气压DBD放电特性的调控机制，特别是揭示了电子压力加热和欧姆加热在不同SEE条件下的协同作用规律。研究建立的流体模型和理论分析方法，为优化等离子体源结构设计和操作参数提供了重要依据。在应用层面，该成果对提高等离子体生物医学等领域的处理效率和稳定性具有指导价值，有助于推动低温等离子体技术在材料改性和生物医学等领域的工业化应用。

研究团队特别指出，大气压条件下电子欧姆加热机制的主导地位，与低压放电中观察到的现象存在显著差异，这一发现为理解不同压力条件下的等离子体行为差异提供了新视角。未来研究可进一步探索SEE系数与介电材料特性的定量关系，以及多组分气体放电中的SEE效应，为等离子体技术的精准调控奠定更坚实的理论基础。