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等离子发展史

发表时间:2020-01-04 14:26

等离子体在1879年首次被发现,1928年被Langmuir命名为plasma,它是由大量相互作用但仍处在非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体系,是除了气态、液态、固态之外的物质第四态。等离子体温度可以分别用电子温度和离子温度表示,低温等离子体的电离率低,它的离子温度甚至可以与室温相差无几,因此日常生产生活中存在很多可以应用低温等离子体技术的场景。低温等离子体产生的过程中还能生成比一般化学反应种类更多、活性更强的数量庞大的活性粒子,与材料表面接触时更容易发生反应。相比传统的物理、化学方法,用等离子体进行表面处理成本更低,而且不产生废弃物,对环境没有污染,因此低温等离子体非常适合材料表面改性处理,除此之外,低温等离子体还在制备有机和无机纳米颗粒、灭菌等领域有着重要的应用价值。

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要产生低温等离子体,可以通过紫外辐射、电磁场激发、高温加热和使用X射线等方法,其中电磁场激发方法,即技术上较容易控制的气体放电方式,在实验室研究和工业生产中最为常用。在各种气体放电产生等离子体的方式中,弧光放电产生的是温度很高的等离子体;电晕放电产生的低温等离子体中难以生成足量活性粒子;直流辉光放电需要低压环境,因此要用到价格昂贵的真空系统,很难实现连续生产;低频交流放电等离子体的电极是裸露的,容易污染所产生的等离子体,因此这些气体放电方式都不适合应用在大规模的流水线工业上。

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)技术是指在两个金属电极之间放置绝缘介质,以阻挡贯穿极板间气隙的放电通道,这样气隙通道内的放电不会形成电弧,而是以细丝放电的模式存在,低温等离子体便分布其中,这种方法在实验室中极易实现,并且已广泛应用于工业生产中;大气压辉光放电(APGD)则更进一步,其产生的低温等离子体可以均匀分布在整个放电空间,因此大气压辉光放电也被称为均匀模式下的介质阻挡放电,但是在实验室中较难实现,而且稍有控制不当就会转变为细丝放电模式的介质阻挡放电。因此介质阻挡放电是当前最适合工业生产的等离子体产生方式。

介质阻挡放电的根本做法在于添加绝缘介质,如果没有绝缘介质进行阻挡,位于极板气隙中的带电粒子将会以极高的迁移速度向两极板趋附,导致很难被气流吹出,而当两个极板都覆盖上一层绝缘片之后,这些带电粒子将会到达绝缘介质表面而不是极板上。当加在两极板上的高频交流电源电压反向后,两板间隙中的空气再次因强电场而产生雪崩电离,此后电流被立即截断,在电流曲线上显示为一个尖脉冲。此时间隙空气中还存在带电粒子,它们将继续向两边极板进行迁移运动。这些带电粒子就是被电离后产生的离子,由于它们以悬浮的状态存在于极板间的间隙空气中,因此很容易被吹出电离区。

介质阻挡放电有平行平板型和同轴圆筒型这两种典型的电极结构,如图1.1所示。在具体应用中介质阻挡放电的电极结构可以根据实际需要而进行特定的设计,例如,为了创造一种既适合于平整表面,又适用于网状、纤维状表面的等离子体消毒装置,美国学者Roth等人结合了生物消毒和等离子体产生的特点,采用梳状电极结构,用1-50kHz的高频电源产生了空气中的APGD,如图1.2所示,此外还有一些与之类似的多极结构。


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