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低溫等離子體及產(chǎn)生方式

Aug. 15, 2023

人類對等離子體的系統(tǒng)認(rèn)識開始于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)備簡單、啟?？斓奶攸c(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)就會中斷完成，微放電的壽命一般在10納秒的量級，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。

（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)在不均勻的電場中的一種局部自持放電現(xiàn)象，通常在導(dǎo)體及強(qiáng)電場邊緣會出現(xiàn)藍(lán)紫色光暈,高電場下的氣體有大量的局部電離，但在弱電場下仍保持基態(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，電場強(qiáng)度的不均勻分布對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)一對電弧形電極之間施加高壓時(shí)，電極最窄的部分會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)，電弧長度隨電極間距離的增加而增加。當(dāng)電弧長度達(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)。