低溫等離子體介紹

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)低溫等離子體介紹基本概念等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。它由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子以及光子。事實(shí)上等離子體就是由上述大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體，也就是高度電離的氣體。無(wú)論是部分電離還是完全電離，其中的負(fù)電荷總數(shù)等于正電荷總數(shù)，所以叫等離子體。等離子體的分類(lèi)1、按等離子體焰溫度分：（1）高溫等離子體：溫度相當(dāng)于108109 K完全電離的等離子體，如太陽(yáng)

2、、受控?zé)岷司圩兊入x子體。（2）低溫等離子體：熱等離子體：稠密高壓（1大氣壓以上），溫度103105K，如電弧、高頻和燃燒等離子體。冷等離子體：電子溫度高（103104K）、氣體溫度低，如稀薄低壓輝光放電等離子體、電暈放電等離子體、DBD介質(zhì)阻擋放電等離子體、索梯放電等離子體等。2、按等離子體所處的狀態(tài)：（1）平衡等離子體：氣體壓力較高，電子溫度與氣體溫度大致相等的等離子體。如常壓下的電弧放電等離子體和高頻感應(yīng)等離子體。（2）非平衡等離子體：低氣壓下或常壓下，電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體溫度的等離子體。如低氣壓下DC輝光放電和高頻感應(yīng)輝光放電，大氣壓下DBD介質(zhì)阻擋放電等產(chǎn)生的冷等離子體。什么是低溫（冷

3、）等離子體？冰升溫至0會(huì)變成水，如繼續(xù)使溫度升至100，那么水就會(huì)沸騰成為水蒸氣。隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會(huì)呈現(xiàn)出固態(tài)液態(tài)氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。那么對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時(shí)，將會(huì)有什么新變化呢? 由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物（蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài)）。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)，即等離子體態(tài)(plasma)。因?yàn)殡婋x過(guò)程中正離子和電子總是成對(duì)出現(xiàn)，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等，總體來(lái)看為準(zhǔn)電中性。反過(guò)來(lái)，我們可以把等離子體

4、定義為：正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。從剛才提到的微弱的蠟燭火焰，我們可以看到等離子體的存在，而夜空中的滿天星斗又都是高溫的完全電離等離子體。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈(MSaha，1893-1956)的計(jì)算，宇宙中的99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。而我們居住的地球倒是例外的溫度較低的星球。此外，對(duì)于自然界中的等離子體，我們還可以列舉太陽(yáng)、電離層、極光、雷電等。在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡(jiǎn)便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。在自然和人工生成的各種主要類(lèi)型的等離子體的密度和溫度的數(shù)值，其密度為106（單位：個(gè)m3）的稀薄星際等離子體到密度為1025

5、的電弧放電等離子體，跨越近20個(gè)數(shù)量級(jí)。其溫度分布范圍則從100K的低溫到超高溫核聚變等離子體的108-109K（110億度）。 溫度軸的單位eV(electron volt)是等離子體領(lǐng)域中常用的溫度單位，1eV=11600K。通常，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子(包括不帶電荷的粒子如原子或分子以及原子團(tuán))等三種粒子。設(shè)它們的密度分別為ne,ni,nn，由于準(zhǔn)電中性，所以電離前氣體分子密度為nenn。于是，我們定義電離度=ne/(ne+nn)，以此來(lái)衡量等離子體的電離程度。日冕、核聚變中的高溫等離子體的電離度都是100%，像這樣=1的等離子體稱為完全電離等離子體。電離度大于1%(10-

6、2)的稱為強(qiáng)電離等離子體，像火焰中的等離子體大部分是中性粒子(Ti , TeTn。我們把這樣的等離子體稱為低溫等離子體(cold plasma)。當(dāng)然，即使是在高氣壓下，低溫等離子體也可以通過(guò)不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式如電暈放電（corona discharge)、介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)或滑動(dòng)電弧放電(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)來(lái)生成。大氣壓下的輝光放電技術(shù)目前也已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)?？僧a(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機(jī)理尚不清楚，在高氣壓下等離子體的輸運(yùn)特性的研究也剛剛起步，現(xiàn)已形成新的研

7、究熱點(diǎn)。低溫等離子體的產(chǎn)生方法電暈放電 介質(zhì)阻擋放電電暈放電(Corona Discharge)氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電。是最常見(jiàn)的一種氣體放電形式。在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而出現(xiàn)電暈放電。發(fā)生電暈時(shí)在電極周?chē)梢钥吹焦饬?，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相?duì)穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場(chǎng)間隙擊穿過(guò)程中的早期發(fā)展階段。電暈放電的形成機(jī)制因尖端電極的極性不同而有區(qū)別，這主要是由于電暈放電時(shí)空間電荷的積累和分布狀況不同所造成的。在直流電壓作用下，負(fù)極性電暈或正極性電暈均在尖端電極附近聚集起空間電荷。在負(fù)極性電暈中，當(dāng)電子

8、引起碰撞電離后，電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離尖端電極的空間,并形成負(fù)離子,在靠近電極表面則聚集起正離子。電場(chǎng)繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)，正離子被吸進(jìn)電極，此時(shí)出現(xiàn)一脈沖電暈電流，負(fù)離子則擴(kuò)散到間隙空間。此后又重復(fù)開(kāi)始下一個(gè)電離及帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程。如此循環(huán)，以致出現(xiàn)許多脈沖形式的電暈電流，電暈放電可以在大氣壓下工作，但需要足夠高的電壓以增加電暈部位的電場(chǎng)。一般在高壓和強(qiáng)電場(chǎng)的工作條件下，不容易獲得穩(wěn)定的電暈放電，亦容易產(chǎn)生局部的電弧放電(arc)。為提高穩(wěn)定性可將反應(yīng)器做成非對(duì)稱(asymmetric)的電極形式（如下圖所示）。電暈放電反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要參考電源的性質(zhì)而有所不同，有直流電暈放電(DC corona)和脈沖式(p

9、ulsed corona)電暈放電。利用電暈放電可以進(jìn)行靜電除塵、污水處理、空氣凈化等。地面上的樹(shù)木等尖端物體在大地電場(chǎng)作用下的電暈放電是參與大氣電平衡的重要環(huán)節(jié)。海洋表面濺射水滴上出現(xiàn)的電暈放電可促進(jìn)海洋中有機(jī)物的生成，還可能是地球遠(yuǎn)古大氣中生物前合成氨基酸的有效放電形式之一。針對(duì)不同應(yīng)用目的研究，電暈放電是具有重要意義的技術(shù)課題。介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)介質(zhì)阻擋放電(DBD)是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無(wú)聲放電。介質(zhì)阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為104106。電源

10、頻率可從50Hz至1MHz。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋,也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。在實(shí)際應(yīng)用中，管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。介質(zhì)阻擋放電通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating current, AC)高壓電源驅(qū)動(dòng)，隨著供給電壓的升高，系統(tǒng)中反應(yīng)

11、氣體的狀態(tài)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段的變化，即會(huì)由絕緣狀態(tài)(insulation)逐漸至擊穿(breakdown)最后發(fā)生放電。當(dāng)供給的電壓比較低時(shí)，雖然有些氣體會(huì)有一些電離和游離擴(kuò)散，但因含量太少電流太小，不足以使反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氣體出現(xiàn)等離子體反應(yīng)，此時(shí)的電流為零。隨著供給電壓的逐漸提高，反應(yīng)區(qū)域中的電子也隨之增加，但未達(dá)到反應(yīng)氣體的擊穿電壓(breakdown voltage; avalanche voltage)時(shí)，兩電極間的電場(chǎng)比較低無(wú)法提供電子足夠的能量使氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞，缺乏非彈性碰撞的結(jié)果導(dǎo)致電子數(shù)不能大量增加，因此，反應(yīng)氣體仍然為絕緣狀態(tài)，無(wú)法產(chǎn)生放電，此時(shí)的電流隨著電極施加的電壓提高而

12、略有增加，但幾乎為零。若繼續(xù)提高供給電壓，當(dāng)兩電極間的電場(chǎng)大到足夠使氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞時(shí)，氣體將因?yàn)殡x子化的非彈性碰撞而大量增加，當(dāng)空間中的電子密度高于一臨界值時(shí)及帕邢(Paschen)擊穿電壓時(shí)，便產(chǎn)生許多微放電絲(microdischarge)導(dǎo)通在兩極之間，同時(shí)系統(tǒng)中可明顯觀察到發(fā)光(luminous)的現(xiàn)象此時(shí)，電流會(huì)隨著施加的電壓提高而迅速增加。在介質(zhì)阻擋放電中，當(dāng)擊穿電壓超過(guò)帕邢(Paschen)擊穿電壓時(shí)，大量隨機(jī)分布的微放電就會(huì)出現(xiàn)在間隙中，這種放電的外觀特征遠(yuǎn)看貌似低氣壓下的輝光放電，發(fā)出接近蘭色的光。近看，則由大量呈現(xiàn)細(xì)絲狀的細(xì)微快脈沖放電構(gòu)成。只要電極間的氣隙均勻，則

13、放電是均勻、漫散和穩(wěn)定的。這些微放電是由大量快脈沖電流細(xì)絲組成，而每個(gè)電流細(xì)絲在放電空間和時(shí)間上都是無(wú)規(guī)則分布的，放電通道基本為圓柱狀，其半徑約為0.10.3mm，放電持續(xù)時(shí)間極短，約為10100ns，但電流密度卻可高達(dá)0.11kA/cm2，每個(gè)電流細(xì)絲就是一個(gè)微放電，在介質(zhì)表面上擴(kuò)散成表面放電，并呈現(xiàn)為明亮的斑點(diǎn)。這些宏觀特征會(huì)隨著電極間所加的功率、頻率和介質(zhì)的不同而有所改變。如用雙介質(zhì)并施加足夠的功率時(shí)，電暈放電會(huì)表現(xiàn)出“無(wú)絲狀”、均勻的蘭色放電，看上去像輝光放電但卻不是輝光放電。這種宏觀效應(yīng)可通過(guò)透明電極或電極間的氣隙直接在實(shí)驗(yàn)中觀察到。當(dāng)然，不同的氣體環(huán)境其放電的顏色是不同的。雖然介質(zhì)阻擋放電已被開(kāi)發(fā)和廣泛的應(yīng)用，可對(duì)它的理論研究還只是近20年來(lái)的事，而且僅限于對(duì)微放電或?qū)φ麄€(gè)放電過(guò)程某個(gè)局部進(jìn)行較為詳盡的討論，并沒(méi)有一種能夠適用于各種情況DBD的理論。其原因在于各種DBD的工作條件大不相同，且放電過(guò)程中既有物理過(guò)程，又有化學(xué)過(guò)程，相互影響，從最終結(jié)果很難斷定中間發(fā)生的具體過(guò)程。由于DBD在產(chǎn)生的放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的自由基和準(zhǔn)分子，如OH、O