下篇-常壓DBD等離子運用在金屬絲退火上的工藝探討
文章導讀：通過實驗裝置分解和結論討論，我們對常壓DBD介質(zhì)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(zhì)的材料、厚度、尺寸、長度等因素有重要關系，而受頻率的影響并不大。本篇主要通過建立等效電路模型來進一步探討相關知識。
一、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器的等效電路模型
在這一部分中，等效電路模型用于分析細銅線退火溫度對常壓DBD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(zhì)阻擋等離子體反應器內(nèi)細銅絲的平均溫度的函數(shù)包括介質(zhì)直徑、介電材料，施加的電壓，離子的質(zhì)量和氣體導熱系數(shù)。介質(zhì)對金屬絲退火的影響是用來分析模型與實驗比較。
二、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器的放電機制
在常壓DBD介質(zhì)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(zhì)中的反射。
在這一部分中，等效電路模型用于分析細銅線退火溫度對常壓DBD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(zhì)阻擋等離子體反應器內(nèi)細銅絲的平均溫度的函數(shù)包括介質(zhì)直徑、介電材料，施加的電壓，離子的質(zhì)量和氣體導熱系數(shù)。介質(zhì)對金屬絲退火的影響是用來分析模型與實驗比較。
二、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器的放電機制
在常壓DBD介質(zhì)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(zhì)中的反射。
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，并沉積在其上，形成兩個空間電荷。電子和離子空間電荷分離產(chǎn)生的內(nèi)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(nèi)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，由于位移電流占主導地位，其總電流變寬。在圓柱常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器放電的電壓電流行為與一個RLC串聯(lián)電路相同。
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火系統(tǒng)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于正周期。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占很大比例。
在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體中，小的傳導電流是因為介質(zhì)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。這種特性不同于微放電模型（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，由于位移電流占主導地位，總電流變得非常寬。因此，圓筒形常壓DBD介質(zhì)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(lián)電路建模。
三、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器結構與等效電路模型
常壓DBD介質(zhì)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(lián)和并聯(lián)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(tài)鞘層，（3）等離子主體 ，如圖2、3、4所示。
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(nèi)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，由于位移電流占主導地位，其總電流變寬。在圓柱常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器放電的電壓電流行為與一個RLC串聯(lián)電路相同。
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火系統(tǒng)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于正周期。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占很大比例。
在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體中，小的傳導電流是因為介質(zhì)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。這種特性不同于微放電模型（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，由于位移電流占主導地位，總電流變得非常寬。因此，圓筒形常壓DBD介質(zhì)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(lián)電路建模。
三、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器結構與等效電路模型
常壓DBD介質(zhì)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(lián)和并聯(lián)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(tài)鞘層，（3）等離子主體 ，如圖2、3、4所示。
介質(zhì)的阻抗、電離化（ZP）和非電離氣體電容Cg顯示在圖3。
介質(zhì)的阻抗，鞘層和等離子體的主體如圖4。
在該介質(zhì)的阻抗是介電電容和介電加熱電阻的并聯(lián)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并聯(lián)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的并聯(lián)組合。二極管，Da和Db是用于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。
四、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火對介電材料的依賴性
基于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計算：
四、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火對介電材料的依賴性
基于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計算：
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(zhì)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(zhì)內(nèi)半徑、介質(zhì)外半徑和鞘層半徑，β是表格函數(shù)的時變率ra /rs，λ是放電氣體的導熱系數(shù)，F(xiàn)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(zhì)的橫截面，Tw是導線表面溫度。Zdie是介質(zhì)導納是并行相結合的介電電容Zd和介電加熱Rd。
圓筒形幾何介質(zhì)電容Cd
在Kd的介電常數(shù)。介電加熱電阻Rd是由在電介質(zhì)加熱中得到的功率損耗Pd
其中Ad是介質(zhì)面積，d為介質(zhì)厚度，tanδ是損耗角正切值，f為施加電壓的頻率。
五、模擬結果與討論
對于一個典型的實驗測試，數(shù)值計算結果與實驗中的相同的輸入?yún)?shù)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(zhì)阻擋等離子體反應器作為介電材料的參數(shù)的函數(shù)。圖2、3、4中的數(shù)據(jù)被用作輸入電流參數(shù)來分析電介質(zhì)材料和頻率對導線溫度的影響。
5-1 常壓DBD介質(zhì)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系。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么影響。
五、模擬結果與討論
對于一個典型的實驗測試，數(shù)值計算結果與實驗中的相同的輸入?yún)?shù)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(zhì)阻擋等離子體反應器作為介電材料的參數(shù)的函數(shù)。圖2、3、4中的數(shù)據(jù)被用作輸入電流參數(shù)來分析電介質(zhì)材料和頻率對導線溫度的影響。
5-1 常壓DBD介質(zhì)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系。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么影響。
5-2 常壓DBD介質(zhì)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(zhì)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(zhì)比玻璃介質(zhì)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(shù)的介電材料可更有效地達到退火溫度。
圖6顯示了退火溫度對電介質(zhì)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(zhì)比玻璃介質(zhì)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(shù)的介電材料可更有效地達到退火溫度。
六、結論
通過上述實驗和研究可以預測，常壓DBD等離子放電對細銅絲等金屬絲退火和清洗市場應用潛力值得挖掘。常壓DBD介質(zhì)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(shù)。對于最佳的退火條件下，更薄的介電層厚度，更高的介電常數(shù)可更有效獲得延伸率和清潔的表面。此外，介電質(zhì)對外加電源的頻率的依賴關系也被認為。結果表明，該頻率對介質(zhì)和退火效果有一定影響。
通過上述實驗和研究可以預測，常壓DBD等離子放電對細銅絲等金屬絲退火和清洗市場應用潛力值得挖掘。常壓DBD介質(zhì)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(shù)。對于最佳的退火條件下，更薄的介電層厚度，更高的介電常數(shù)可更有效獲得延伸率和清潔的表面。此外，介電質(zhì)對外加電源的頻率的依賴關系也被認為。結果表明，該頻率對介質(zhì)和退火效果有一定影響。
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