辅助脉冲电势调控大气压等离子体射流参数的放电动力学

卢陈梓1, 方骏林2, 徐少锋2, 徐金洲2, 刘芷端2, 黄高山1, 梅永丰1, 郭颖2, 石建军3
1复旦大学智能机器人与先进制造创新学院,智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院,上海 200438
2东华大学物理学院,上海 201620
3全省极端环境功能材料重点实验室,复旦大学义乌研究院,浙江 义乌 322000
发布日期 2025

本研究基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台,利用等离子体模块构建了等尺寸二维自洽流体模型,结合实验深入探究了辅助脉冲电压(APV)对大气压等离子体射流(APPJ)中电离波传播动力学特性的调控机理。仿真工作复现并深入了先前实验研究的关键发现,模型模拟了在辅助电极(AE)上施加不同幅值的APV时,电离波传播路径上的电势分布、电子/离子密度、电场强度及电子温度的时空演化过程。计算结果表明,电离波的产生影响了管外电势的产生与再分布,同时外加APV通过显著改变电离波前端的电势分布,从而有效调控其传播行为。模型与实验证明,降低APV幅值会增大波前与管壁之间的电势差(Δφ),进而增强轴向电场,导致电离波速度加快、波前电子与离子密度显著集中、电子温度升高。同时,更强的径向电场使得等离子体子弹的径向尺寸(FWHM)得以扩展。反之,提高APV幅值则使电荷分布更均匀,起到抑制和缓和放电的作用。本项研究成功结合了实验与仿真结果,对外加辅助电势对APPJ放电动力学的调控物理机制进行了阐述,仿真结果与实验结果具有良好的一致性,COMSOL模型为优化等离子体射流性能提供了理论依据。本研究为材料处理、生物医学等需要精确控制等离子体参数的应用领域提供了实验参考。

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