下篇-常壓DBD等離子運用在金屬絲退火上的工藝探討

中篇的實驗裝置分解和結論討論，我們對常壓DBD介質阻擋等離子給金屬絲退火的原理和影響因素有了一定了解，等離子退火的溫度和效能與介質的材料、厚度、尺寸、長度等因素有重要關係，而受頻率的影響並不大。本篇主要通過建立等效電路模型來進一步探討相關知識。

1 常壓DBD介質阻擋等離子體反應器的等效電路模型

在這一部分中，等效電路模型用於分析細銅線退火溫度對常壓DBD介質阻擋等離子體的依賴。通過分析模型，可以確定退火溫度的主要因素是在導線表面的離子轟擊。在計算常壓DBD介質阻擋等離子體反應器內細銅絲的平均溫度的函數包括介質直徑、介電材料，施加的電壓，離子的質量和氣體導熱係數。介質對退火的影響是用來分析模型與實驗比較。

2 常壓DBD介質阻擋等離子體反應器的放電機制

在常壓DBD介質阻擋等離子體反應器中，電子和離子的運動會形成放電電流特性。圖1顯示了放電電流在外加電壓9千伏（KV）氧化鋁（Al2O3）介質中的反射。

圖1

剛開始放電時，隨著外加電壓的增加，dV/dt＞0，放電電流流過放電間隙增大。電子和離子瞬間向陽極和陰極運行，並沉積在其上，形成兩個空間電荷。電子和離子空間電荷分離產生的內部電場。這個電場隨外加電壓的增加，外部電場成反比。

當增量電壓達到峰值，dV/dt=0，放電電流（位移電流）穿過放電間隙為零，內部的電場強度達到最大值，形成反向電流。當dV/dt＜0時，反向電流的存在，直到電壓達到局部底值（dV/dt = 0）。當瞬間電壓再次增加時，這個過程又開始了。

從實驗中看，放電氣體的電流分布是一個不變的正弦曲線，由於位移電流佔主導地位，其總電流變寬。在圓柱常壓DBD介質阻擋等離子體反應器放電的電壓電流行為與一個RLC串聯電路相同。

常壓DBD介質阻擋等離子體退火系統的放電特性以總放電電流為代表，其中包括總的位移電流和傳導電流。從圖1看到，負極電流周期比正極具有更高的整形器的峰值電流，這導致的結論是，在負周期的傳導電流高於正周期。它也表明，在總電流波形和電壓波形的相位差是接近90度，這說明位移電流在總電流中佔很大比例。

在常壓DBD介質阻擋等離子體中，小的傳導電流是因為介質的電阻率高。圖1還顯示了外加電壓時位移電流（正弦形分布）和傳導電流（窄峰）的變化。從當前電流波形顯示，在每半周期的波形具有多峰，每一個峰值放電時具有正弦形狀。這種特性不同於微放電模型（包含許多非常小的，短暫的（納秒級），電流細導線）。

在我們的實驗中，所有三個放電氣體的電流分布是一個不變的正弦曲線，由於位移電流佔主導地位，總電流變得非常寬。因此，圓筒形常壓DBD介質阻擋等離子體反應器氦氣、氬氣和氮氣的放電，可以用一個等效RLC串聯電路建模。

3 常壓DBD介質阻擋等離子體反應器結構與等效電路模型

常壓DBD介質阻擋等離子體退火的放電特性和等離子體反應器的物理結構相結合，其等效電路模型，形成一個RLC電路的總阻抗的串聯和並聯電路模型之間的組合。放電機理的相應主體部分表明等離子體反應器可分為三個部分：（1）介電壁，（2）動態鞘層，（3）等離子主體 ，如圖2、3、4所示。如圖2

圖2

介質的阻抗、電離化（ZP）和非電離氣體電容Cg顯示在圖3。

圖3

介質的阻抗，鞘層和等離子體的主體如圖4。

圖4

在該介質的阻抗是介電電容和介電加熱電阻的並聯組合，鞘層的阻抗是鞘層電容和離子電流在鞘層中的離子加熱電阻的並聯組合，等離子體的阻抗是等離子電阻（僅由流光加熱的歐姆加熱）和帶圓筒形空間電容Cp的並聯組合。二極體，Da和Db是用於指定輸入電壓的符號。放電前的反應器的氣體電容也被連接到平行Cg。

4 常壓DBD介質阻擋等離子體退火對介電材料的依賴性

基於等離子加熱功率的假設，從模型中的細導線溫度可通過方程（4）計算：

方程4

在Vin（t）是施加電壓，Iin（t）是總的放電電流，q是離子的電荷，M為離子的質量，L是反應器的長度，ra、rb、rc和rs分別表示細導線半徑、介質內半徑、介質外半徑和鞘層半徑，β是表格函數的時變率ra /rs，λ是放電氣體的導熱係數，F是施加電壓的頻率，V是銅線速度，T0是銅線進入等離子體反應器前的溫度，Cv是比熱容，ρ是密度，Aa和Ab是細導線和介質的橫截面，Tw是導線表面溫度。Zdie是介質導納是並行相結合的介電電容Zd和介電加熱Rd，

方程5

圓筒形幾何介質電容Cd

方程6

在Kd的介電常數。介電加熱電阻Rd是由在電介質加熱中得到的功率損耗Pd

方程7

其中Ad是介質面積，d為介質厚度，tanδ是損耗角正切值，f為施加電壓的頻率。

5 模擬結果與討論

對於一個典型的實驗測試，數值計算結果與實驗中的相同的輸入參數進行了計算。方程（4）是用來計算銅導線平均溫度在常壓DBD介質阻擋等離子體反應器作為介電材料的參數的函數。圖2、3、4中的數據被用作輸入電流參數來分析電介質材料和頻率對導線溫度的影響。

5-1 常壓DBD介質阻擋等離子退火溫度對頻率的依賴性

圖5顯示退火溫度和輸入頻率之間的弱正相關關係。當頻率從25千赫到40千赫的頻率增加時，退火溫度的增量只增加了10℃，與實驗結果相比，我們可以看到有相同的結果。因此，我們估計頻率對退火溫度沒有什麼影響。

圖5

5-2 常壓DBD介質阻擋等離子退火溫度對介電材料的依賴性

圖6顯示了退火溫度對電介質材料，玻璃和氧化鋁的依賴性。仿真結果表明，在達到退火溫度時，氧化鋁介質比玻璃介質的是更有效的。這一結果也與實驗結果相同。我們可以得出這樣的結論：介電層材料影響退火和清洗結果。具有更高介電常數的介電材料可更有效地達到退火溫度。

圖6

6 結論

通過上述實驗和研究可以預測，常壓DBD介質阻擋等離子放電的細銅絲退火和清洗市場應用潛力值得挖掘。常壓DBD介質阻擋等離子退火細銅絲的新模式也為RLC等效電路；介電材料和介電層厚度是影響退火和清洗細金屬絲的兩個參數。對於最佳的退火條件下，更薄的介電層厚度，更高的介電常數可更有效獲得延伸率和清潔的表面。此外，介電質對外加電源的頻率的依賴關係也被認為。結果表明，該頻率對介質和退火效果有一定影響。

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