近期工坊偶获一篇关于微波等离子体放电数值计算的博士学位论文佳作，工坊短短的推文完全无法涵盖博士论文级别丰富的内容，仅截取一段简明和经典的论述和结论与粉丝分享讨论。 ...
近期工坊偶获一篇关于微波等离子体放电数值计算的博士学位论文佳作，工坊短短的推文完全无法涵盖博士论文级别丰富的内容，仅截取一段简明和经典的论述和结论与粉丝分享讨论。 微波等离子体放电和应用 微波是一种常用的等离子体产生方式，电子在微波电磁场加速下获得能量，用于碰撞激发和电离中性粒子，产生和维持等离子体状态。微波等离子体最初是在40年代解决雷达波导放电问题中发现的，并随着高功率微波技术的发展迅速得到了广泛应用，具体产生方式可以是电子回旋共振（ECR）、等离子体炬，表面波放电（SWD）等，应用领域包括但不限于等离子体增强化学气相沉积（PECVD），等离子体消毒和空间推进等（下图所示为微波等离子体空间推进器）。
早期关于微波等离子体放电的研究主要集中在低气压领域，今年来，高气压微波等离子体在流动控制、点火助燃、、火焰稳定、推进和污染物处理方面逐渐受到了关注（下图所示为微波等离子体流动控制和点火系统）。 微波等离子体放电形态的“特征线” 研究中发现，自由空间中的微波放电存在两种形式： 低气压下，由于电子-中性粒子动量转移频率极低，放电主要呈现弥散状，对微波能量吸收非常小；高气压下，放电呈流注形态，在特定情况下还会由于放电分叉形成流注丝网。下图展示了实验状况下微波放电形态从5 Torr到 100 Torr到600 Torr随气压变化的特征：
为方便研究，实验学者们进一步绘制了空气中微波等离子体放电形态的气压-电场图（可以理解为微波等离子体放电的“特征线”）：
微波等离子体放电数学模型（流体描述） 微波等离子体放电模型在不同气压条件下有多种版本，低气压下常常使用基于双极扩散近似的扩散-麦克斯韦方程组。本例对大气压微波放电使用了多种假设建立了多个数学模型，这里仅介绍其中比较通用（也最复杂）的模型。在漂移-扩散-泊松方程体系求解流注放电的基础上，添加了麦克斯韦方程组引入微波作用：
上述体系中，电场实际由三部分组成：由电磁波引起的入射电场、反射电场和由空间电荷分离产生的双极电场。实际计算过程中需为麦克斯韦方程设立合理的边界条件。 数值计算结果与实验对比如下图所示。在大气压下，相同功率密度微波作用下，使用照相机测定退激辐射光强分布与计算结果（电子密度）定性比较，确认计算结果解析出了高气压下微波等离子体的流注式放电形态。
高气压下，微波等离子体具有非侵入性放电，放电位置可控、放电面积相对电极放电更大等独特的优势，但是目前在注入功率、沉积能量方面相比直流等离子体放电仍存在一些劣势，法国SAFRAN发动机公司、美国普林斯顿大学等单位都相继开展过有关微波等离子体助燃的研究，相信随着技术的发展，高功率微波等离子体在未来会有更广阔的应用空间。 *本期图片均来自图卢兹三大博士论文《Modeling of plasma dynamics and pattern formation during high pressure microwave breakdown in air》，作者Guoqiang ZHU, 导师Jean-Pierre BOEUF。
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