【儀表網 研發快訊】近日，瞬態光學與光子技術國家重點實驗室湯潔課題組聯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，能夠將豐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、生物醫學、痕量探測等領域具有廣泛的應用前景。同軸介質阻擋放電(DBD)是產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，現有的實驗診斷技術無法捕捉和表征同軸介質阻擋放電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，調控射流中帶電與活性粒子的動力學行為。研究發現了平行磁場調控導致介質管內等離子體鞘層變薄的現象，垂直于磁場方向上電子遷移率的降低減少了介質壁上累積的表面電子數是產生該現象的根本原因。研究揭示了平行磁場調控導致介質管外環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。上述成果為磁場調控APPJ性能的提升提供了理論依據，為磁場調控增強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。
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