微尺度下N2–O2电晕放电的动态特性二维仿真*柴钰1) 张妮1) 刘杰1) 殷宁1) 刘树林1) 张晶园1)2)3)† 1) (西安科技大学电气与控制工程学院, 西安 710054)
2) (西安科技大学机械工程博士后流动站, 西安 710054)
3) (中国矿业大学江苏省煤矿电气与自动化工程实验室，苏州 221008)
(2020 年1 月14日收到; 2020 年5 月21日收到修改稿)
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微纳电离式气体传感器基于微尺度放电原理, 具有响应快、精度高、易集成等特点, 有望实现对气体的快速准确检测. 目前缺少对该新型传感器极间放电过程的系统分析. 对此本文采用流体-化学动力学混合方法, 建立了常温常压下大气中N2-O2混合气体在微米间隙-纳米尖端场域的二维空间放电模型, 并通过分析空间电子输运机制、放电电流密度、空间电场强度之间的相互耦合关系, 阐明了该场域下空间放电的动态发展过程, 完善了微纳电离式气体传感器内部放电机理, 且分析了不同极间距对空间放电的影响规律. 结果表明：该场域下空间电场随正负离子的产生与消耗达到动态平衡而保持恒定, 使空间放电得以维持, 放电电流密度趋于稳定; 且随着极间距的减小放电电流密度呈现出先增大后减小的趋势, 此特性为传感器的优化提供了一定的理论指导.一机双号
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关键词：电离式气体传感器, 放电过程, 空间电场, 电流密度
PACS：52.65.–y, 52.20.Fs, 52.25.Fi, 52.65.Ww DOI: 10.7498/aps.69.20200095
1 引 言
伴随着工业化进程的不断加快造成空气中的氮氧化物和硫氧化物等有害气体的含量超标, 严重影响着人们的身体健康, 因此对大气中有害气体的检测与预警显的尤为重要. 随着纳米材料逐渐进入人们的视野, 为制作新型传感器提供了物质基础，例如氧化锌纳米线、碳纳米管和二氧化钛纳米管等纳米材料[1−3], 其特有的尖端尺度可以在较低的电压下产生高的场增强因子, 利用此特性有望实现电离式气体传感器在低电压下对气体的检测, 且此类传感器与普通传感器相比具有响应快、准确率高、易集成等特点[4,5], 因此研究微米间隙、纳米尖端场域下气体放电过程及其内部机理对电离式气体传感器的研制具有指导性意义.景德镇高专学报
国计学在电场分布极不均匀的空间发生的局部自持放电现象为电晕放电. 对于电晕放电早在1938年Trichel[6]就进行了研究, 分析了其放电机理, 并发现其放电电流为脉冲电流, 且此脉冲只存在于电负性气体中, 并随着负离子的产生与消散不断建立. 2012年, Liao等[7]基于流体动力学方程对电晕放电过程进行分析, 研究了重离子对放电的影响, 指出负离子对放电起抑制作用. 2013年, Zheng等[8]就放电过程中带电离子的时空行为规律及空间电场的发展规律进一步对电晕放电进行了研究. 目前, 国内外文献描述电晕放
电微观过程的理论较为成熟, 但其反应空间最小为毫米级, 对本文微尺度
* 国家自然科学基金(批准号: 51777167, 51604217, 11974275)、中国博士后科学基金(批准号: 2018M643811XB)和陕西省教育厅自然科学基金(批准号: 19JK0529)资助的课题.
电化学阻抗谱† 通信作者. E-mail: jyzhang@xust.edu
© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society wulixb.iphy.ac 物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 69, No. 16 (2020) 165202
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