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Plasma Research Express最新综述文章:宏观至微纳米尺度放电击穿研究进展
发表时间:2020/2/10 12:12:48  点击:96

 

近期,应Plasma Research Express期刊邀请,美国密歇根州立大学付洋洋博士(第一/通讯作者)、清华大学王新新教授等合作发表了题为“Electrical breakdown from macro to micro/nano scales: a tutorial and a review of the state of the art”的综述文章,详细阐述了宏观至微纳米尺度间隙放电击穿研究进展。一直以来,放电击穿是高压放电等离子体领域的重要课题,它关系着气体放电的形成、发展等多方面的性质,对等离子的应用至关重要。近年来,随着等离子体应用的拓展,人们针对不同空间尺度的放电击穿特性进行了大量研究,以在各种工况下更好地产生和应用等离子体。

本综述论文中,作者从气体放电击穿的基础理论出发,从气隙电离和电极表面发射两个方面阐述了不同条件下放电形成机制。论文回顾了帕邢曲线的理论基础,并介绍了其在不同物理机制(如场致发射、热电子发射)作用下所展示的新特点。在宏观尺度气隙中,放电击穿的阴极过程主要为离子碰撞二次电子发射,随着气隙尺度的缩小,电极表面的场致发射、热电子发射机制将逐渐主导放电击穿,从而导致经典帕邢曲线失效。针对微纳米气隙,介绍了放电击穿模式从二次电子发射到场致发射、热电子发射的模式转化特点,总结了相关击穿解析模型的研究结果。针对微米尺度的放电,论文讨论了电极表面结构(凸起结构、不平整度)引起的局部电场增强、轴向电场分布变化、屏蔽效应对放电击穿路径、帕邢曲线的影响(典型结果如图1所示)。文章结合放电相似性理论,分析了大小不同、几何相似放电气隙的击穿特性,分别给出直流、交流(射频)激励下相似放电有效的情形,讨论了约化场强(E/p)、约化长度(pd)、约化频率(f/p)等参数对相似放电的物理意义。论文梳理了放电击穿研究的历史与发展过程、关键难点与热点问题,总结了相关实验与数值模拟结果及理论模型的改进,为读者展现了系统、全面的研究现状。

1  电极表面结构对(a)放电击穿路径[Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ](b)帕邢曲线的影响

图片来源于文献 [Y. Fu, et al. Plasma Res. Express 2, 013001 (2020)]

 

相关研究得到了美国空军科学研究局项目(A9550-18-1-0062, FA9550-18-1-0061)、美国能源部等离子体科学中心项目(DE-SC0001939)、中国国家自然科学基金项目(51777114)的资助。

文章链接:

Yangyang Fu*, Peng Zhang, John P. Verboncoeur and Xinxin Wang, “Electrical breakdown from macro to micro/nano scales: a tutorial and a review of the state of the art”, Plasma Res. Express 2, 013001 (2020). [Invited Paper] (https://doi.org/10.1088/2516-1067/ab6c84)

 

论文下载:Fu_2020_Plasma_Res._Express_2_013001.pdf

 

其它相关文献:

[1].     Yangyang Fu*, Janez Krek, Deqi Wen, Peng Zhang and John P. Verboncoeur, “Transition of low-temperature plasma similarity laws from low to high ionization degree regimes”, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 095012 (2019).

[2].     Yangyang Fu* and John P. Verboncoeur, “On the Similarities of Low-temperature Discharge Plasmas”, IEEE Trans. Plasma Sci. 47, 1994 (2019).

[3].     Yangyang Fu*, Peng Zhang, Janez Krek and John P. Verboncoeur, “Gas Breakdown and its scaling law in microgaps with multiple concentric cathode protrusions”, Appl. Phys. Lett. 114, 014102 (2019).

[4].     Yangyang Fu*, Janez Krek, Peng Zhang and John P. Verboncoeur, “Evaluating microgap breakdown mode transition with electric field non-uniformity”, Plasma Sources Sci. Technol. 27, 095014 (2018).

[5].     Yangyang Fu*, Peng Zhang and John P. Verboncoeur, “Paschen’s curve in microgaps with an electrode surface protrusion”, Appl. Phys. Lett. 113, 054102 (2018).

[6].     Yangyang Fu*, Peng Zhang and John P. Verboncoeur, “Gas breakdown in atmospheric pressure microgaps with a surface protrusion on the cathode”, Appl. Phys. Lett. 112, 254102 (2018). [Featured Article]

[7].     Yangyang Fu, Shuo Yang, Xiaobing Zou, Haiyun Luo, and Xinxin Wang*, “Effect of distribution of electric field on low-pressure gas breakdown”, Phys. Plasmas, 24, 023508 (2017).

[8].     Yangyang Fu, Shuo Yang, Xiaobing Zou, Haiyun Luo, and Xinxin Wang*, “Intersection of Paschen’s curves for argon”, Phys. Plasmas, 23, 093509 (2016).

 

作者简介:

付洋洋,男,工学博士。2010年毕业于上海交通大学电子信息与电气工程学院,获电气工程学士学位;2015年毕业于清华大学电机系,获电气工程博士学位。2016年至今在美国密歇根州立大学从事博士后研究,合作教授为John P. Verboncoeur教授(IEEE Fellow),主要研究方向包括:气体放电、微放电等离子体、放电相似性、气隙击穿、电子发射。曾获教育部2018年度高等学校科学研究优秀成果奖(自然科学奖二等奖),清华大学优秀博士学位论文一等奖,第42IEEE国际等离子体科学会议(ICOPS 2015)最佳学生论文奖等荣誉。在高压放电等离子体领域内重要期刊(包括Plasma Sources Science and Technology, Applied Physics Letters, Physics of Plasmas)发表论文35篇(第一作者SCI论文22 篇)、会议论文40余篇(国际会议口头报告16次,特邀报告3次)。学术兼职包括:担任国际会议分会主席4次、第 45 IEEE 国际等离子体科学会议“Student Paper Competition and Awards”奖励评委,担任Plasma Sources Science and Technology, Plasma Processes and Polymers, Physics of Plasmas, Journal of Applied Physics, Journal of Physics D: Applied Physics等共24个放电等离子体、应用物理类期刊审稿人,2017年获Plasma Sources Science and Technology国际期刊“杰出审稿人奖”。