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低溫等離子體及產(chǎn)生方式

Aug. 15, 2023

人類對(duì)等離子體的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)開始于19世紀(jì)30年代的氣體放電研究，1928年Langmuir建立了等離子體的概念，即由大量具有相互作用的帶電粒子組成的宏觀中性的體系，是除氣、液、固之外，廣泛存在于自然環(huán)境的第四種物質(zhì)形態(tài)。到70年代末，它已發(fā)展成為一門獨(dú)立的分支學(xué)科，其研究對(duì)象為天體等離子體、近地電離層空間等離子體和人工產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室等離子體。

根據(jù)粒子溫度的差異，可將其分為高溫等離子體和低溫等離子體，這兩種研究類型是不同的，高溫等離子體一般指核聚變等離子體，包括太陽日冕，磁約束聚變或慣性約束聚變，它們的特點(diǎn)是極熱的粒子和較高的等離子體密度，很難在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生(需要像托卡馬克這樣的大型裝置)。

低溫等離子體具有較低的粒子溫度和密度。低溫等離子體有廣泛的研究和用途。一般采用實(shí)驗(yàn)室氣體放電法生產(chǎn)，易于獲取和維護(hù)。低溫等離子體分為兩種，一種是冷等離子體（Nonthermal plasma），另一種是熱等離子體（Thermal plasma）。它們的區(qū)別在于粒子的熱力學(xué)平衡狀態(tài)，其中冷等離子體是宏觀溫度，或重粒子溫度相對(duì)較低，電子溫度可以很高。相反，熱等離子體是熱平衡等離子體，其中所有的粒子，包括電子，都是呈現(xiàn)較高溫狀態(tài)的，如大氣電弧等離子體，電弧等離子炬，焊接等離子體等。

低溫等離子體大多由放電產(chǎn)生，具有反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單、啟停快的特點(diǎn)。常用于材料處理、燃料轉(zhuǎn)化、制氫、廢氣降解等領(lǐng)域。常見的低溫放電等離子體產(chǎn)生形式有介質(zhì)阻擋放電、電暈放電、滑動(dòng)電弧放電、輝光放電、微孔放電等。

（1）介質(zhì)阻擋放電

介質(zhì)阻擋放電是1863年Simens等人在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的一種無聲放電現(xiàn)象，通過外加高頻高壓交流電源產(chǎn)生的電場(chǎng)擊穿電極間作為電介質(zhì)的氣體而產(chǎn)生等離子體的一種氣體放電方式，電極的一部分被絕緣介質(zhì)覆蓋或插入放電空間，以防止放電電流隨著電壓的升高而不斷上升，抑制電流光通道內(nèi)火花放電的形成。通過施加足夠高的交流電流，電極間隙中的氣體可以被迅速分解。介質(zhì)阻擋放電（DBD）是一種微通道的放電結(jié)構(gòu)，放電間隙電流由大量脈沖電流絲構(gòu)成。電流絲在時(shí)間和空間上的分布是不規(guī)則的，且反應(yīng)主要發(fā)生在微放電中。

微放電是介質(zhì)阻擋放電的核心。在一個(gè)交流電壓循環(huán)中，每次微放電可分為三個(gè)階段：Ⅰ.放電的形成；Ⅱ.放電擊穿后,氣體間隙電流脈沖或電荷的輸送；Ⅲ.在微放電電流通道中，激發(fā)原子和分子，引發(fā)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即自由基和準(zhǔn)分子的形成過程。通常放電在幾納秒（10^-9秒）內(nèi)就會(huì)中斷完成，微放電的壽命一般在10納秒的量級(jí)，原子和分子的激發(fā)和反應(yīng)所需的時(shí)間在100納秒到秒的量級(jí)。

（2）電暈放電

電暈放電通常發(fā)生在曲率半徑較小的電極上(如針形電極或細(xì)絲電極)。在大氣壓力或高于大氣壓力時(shí)，一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)在電極附近形成，電離周圍的空氣，開始電暈放電反應(yīng)?？拷姌O的電子獲得大量能量，并與氣體分子碰撞電離并產(chǎn)生更多的電子，發(fā)生電子雪崩現(xiàn)象。它是氣體介質(zhì)在不均勻的電場(chǎng)中的一種局部自持放電現(xiàn)象，通常在導(dǎo)體及強(qiáng)電場(chǎng)邊緣會(huì)出現(xiàn)藍(lán)紫色光暈,高電場(chǎng)下的氣體有大量的局部電離，但在弱電場(chǎng)下仍保持基態(tài)，電極之間沒有擊穿，這一過程被稱為電暈放電。

按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將電暈放電的產(chǎn)生做如下分類：

A.根據(jù)電極的極性，電暈放電可分為正電暈放電和負(fù)電暈放電。在正電暈放電中，進(jìn)入電暈層的電子是由強(qiáng)電場(chǎng)中被激發(fā)粒子的光輻射產(chǎn)生的，光電離產(chǎn)生的電子觸發(fā)雪崩放電，最終被陽極收集，正離子則通過電暈層進(jìn)入外圍弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)。負(fù)電暈放電的電暈層存在于極小曲率半徑的陰極中，高能電子由氣體分子電離產(chǎn)生。在負(fù)電暈放電中，陰極通常為細(xì)導(dǎo)線或針狀，陽極通常為平板或圓柱形。

B.根據(jù)電源的類型，電暈放電可分為直流電暈放電、交流電暈放電和脈沖電暈放電。直流電暈放電和交流電暈放電是在高壓下由于電極間電場(chǎng)分布不均勻而產(chǎn)生的放電形式。脈沖電暈放電主要利用電子作用激發(fā)、電離或解離氣體分子，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基。

C.根據(jù)電極的形狀，電暈放電可分為線板式、線線式、點(diǎn)板式、點(diǎn)點(diǎn)式以及線筒式等。使用最廣泛的電極結(jié)構(gòu)是線板和線筒式。

在電暈放電中，電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻分布對(duì)放電效果有很大影響。放電電流主要受施加于放電電極上的電壓、電極類型、電極間距離、氣體等因素的影響，其大小一般在微安到毫安范圍內(nèi)。

（3）滑動(dòng)弧放電

滑動(dòng)弧放電是一種在大氣壓條件下發(fā)生的周期性振蕩放電形式，當(dāng)一對(duì)電弧形電極之間施加高壓時(shí)，電極最窄的部分會(huì)被擊穿形成放電電弧。在氣體的驅(qū)動(dòng)下，電弧向上移動(dòng)，電弧長(zhǎng)度隨電極間距離的增加而增加。當(dāng)電弧長(zhǎng)度達(dá)到臨界值時(shí)，電弧消失，在電極最窄處形成新的電弧。滑動(dòng)電弧放電具有電流密度大、發(fā)光強(qiáng)度高、溫度高的特點(diǎn)。