本期继续速读针对大气压微等离子体的数值模拟的系列精品工作
微等离子体尺寸小、温度低，活性物质丰富，是等离子体医学、催化等应用中常见的存在形式。上期推送速读了实验佳作《大气压毛细管微等离子体的点亮、电离和传播》，本期继续速读针对大气压微等离子体的数值模拟的系列精品工作： [1] Zhang, Quan-Zhi, Wei-Zong Wang, and Annemie Bogaerts. "Importance of surface charging during plasma streamer propagation in catalyst pores." Plasma Sources Science and Technology 27.6 (2018): 065009. [2] Zhang, Quan-Zhi, and Annemie Bogaerts. "Propagation of a plasma streamer in catalyst pores." Plasma Sources Science and Technology 27.3 (2018): 035009. 大气压DBD催化填充床通过在传统的DBD构型中添加催化剂珠子或颗粒，一方面等离子中的活性粒子可以增强催化剂的作用，另一方面催化剂可以提高等离子体处理的选择性，并且催化剂自身的几何结构可以显著增强局部电场从而提升能量利用效率，在近几年得到了等离子体化学、环境等应用团队的关注。
与传统的DBD不同的是，DBD填充床中存在大量的微孔（~nm至~μm，与德拜长度相当），放电特性可能会发生变化，且经典的流体模型也难以适用（原因见往期推送《模拟tips（三）：等离子体空间尺度与CPD网格》），粒子/蒙特卡洛模型在此处可以发挥独特的作用。 模型简介 几何：文章的主要研究对象是微孔中的等离子体行为，因此将填充床中的复杂结构简化为如下图所示的轴对称结构，上下电极/介质间距约40μm，在上电极/介质处开一微孔。在底部电极施加负电压、产生由下向上传播的负流注，通过调整电压大小和微孔尺寸，研究等离子体与微孔的相互作用。
算法：采用经典的PIC/MCC方法，算法流程图如下图所示。针对复杂大气压过程，采用伪碰撞方法处理粒子蒙特卡洛过程。关于PIC/MCC方法的具体介绍见往期推送《模拟tips：浅谈Particle-in-cell/Monte Carlo Collision (PIC/MCC) 方法》。
50nm介质微孔内外流注特性 设置微孔尺度为50nm，计算了负流注从底部向顶部传播的过程如下图(a~c)所示。在上下电极之间的间隙里，等离子体呈现与大气压放电相同的特征，电子密度数量级为1021m-3；而在微孔间隙里，仅有极少的电子进入，如(d~e)所示。
随着时间的推移，鞘层的形成会将电子推出鞘层外，微孔中没有等离子体，如上图(f)所示。 400nm-3μm介质微孔内流注特性 保持电压-3kV不变，改变微孔尺寸，单独研究微孔内流注特性如下图所示。
根据计算，在该放电条件下，等离子体德拜长度约为700nm，因此当微孔尺寸大于德拜长度时，电子将能够轻易进入微孔，且微孔内放电有显著的增强（达到了1023m-3），注意到微尺度下电子密度的显著增加，在上期推送的实验论述中也得到了证实。 将电压增加到-5kV，此时德拜长度缩小为600nm左右，此时计算结果如下图所示，可以发现结论与上一段完全一致。
总而言之，增大电压可以增加电子密度，减小等离子体德拜长度，使得等离子体更容易进入微孔。 介质微孔内表面电荷沉积影响放电传播 前文回答了等离子体能否进入微孔的问题，该部分则主要回答等离子体进入微孔的深度和浓度问题。下图展示了微孔直径600nm-2μm时，不同介质介电常数（4-200）时微孔内放电情况。
上图出现了一个有趣的现象，微孔内等离子体最大密度与介电常数呈非线性关系，在ε=50时达到最大。 绘制各介电常数下表面电荷分布情况如下图所示：
介电常数较小时（ε<=9），电荷沉积最大值在微孔底部，流注进入后电子沉积在介质表面，非均匀的电荷沉积引起额外电场，加速了流注的传播； 介电常数增加后(ε=50)，电荷沉积最大值出现在了微孔入口，这主要是因为介质更容易被极化，使得微孔内电场变弱，等离子体进入深度变小，但微孔入口处的电荷累积会极大增强局部电场，进而造成较高的等离子体密度； 当介电常数非常大时(ε=200)，介质极化使得气体/介质的电压降变小，表面电场变弱，因而电子密度也最弱。由此可见，微孔附近电子密度的大小变化，是介质极化和电荷沉积两种现象相互竞争的结果。 金属微孔内等离子体特性 金属通常可以理解为介电常数和电导率极大的介质。为此，将介电常数设置为一个极大值模拟金属特性，计算了等离子体与金属微孔的作用特性，如下图所示：
与介质微孔内等离子体特性对比，可以发现：（1）等离子体很难进入金属微孔；（2）微孔尺寸较大时，等离子体可以通过扩散进入孔中，但是没有出现放电增强现象；（3）金属微孔没有电荷沉积的问题，因而也不存在放电增强情况，这更印证了表面电荷表面流注传播的影响。 综上，大气压微等离子体与微孔相互作用研究得出了以下重要结论： 1）等离子体能否进入介质微孔主要取决于微孔尺寸与等离子体德拜长度； 2）表面电荷在等离子体微孔传播中扮演重要角色，金属微孔难以进入； 3）介质极化会降低表面电荷的电场局域增强效果，使得放电更加局域化。 这些结论具有极强的通用性，展现了数值模拟探求等离子体一般规律的强大能力。结论1）和2）为填充球/催化剂工程设计和选材提供了依据；结论3）与往期推送《论文速读：一例表面介质阻挡放电的实验+模拟基准》中关于介电常数对放电影响的结论展现了有趣的一致，也体现了数值模拟规律的通用性，能够为理解实验和工程设计提供有力的指导。
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