空氣中均勻介質(zhì)阻擋放電研究進(jìn)展
介質(zhì)阻擋放電(DBD) 可以在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體,在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相對(duì)于低氣壓均勻DBD 和大氣壓絲狀DBD ,大氣壓均勻DBD 在節(jié)約生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率以及優(yōu)化處理效果等方面都體現(xiàn)著明顯的優(yōu)勢(shì)。目前,大氣壓均勻DBD 的工作氣體多為惰性氣體,這不僅增加了生產(chǎn)成本而且降低了生產(chǎn)效率。近期研究表明,通過(guò)改變DBD系統(tǒng)的一些參量,如供電電源、電極結(jié)構(gòu)、阻擋材料等,可以在空氣中實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的DBD。目前國(guó)內(nèi)外一些研究小組已經(jīng)在這些方面取得了可喜的研究成果。本文在討論DBD 的產(chǎn)生方法、機(jī)理以及診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上,分別從電源類型、電極結(jié)構(gòu)以及預(yù)電離技術(shù)等方面綜述了空氣中均勻DBD 的研究現(xiàn)狀,最后分析了實(shí)現(xiàn)空氣中均勻DBD 需要解決的問(wèn)題。
介質(zhì)阻擋放電(DBD) 是將絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電形式,其工作氣壓范圍很寬,可以在大氣壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的低溫等離子體。在臭氧生成、材料表面改性、殺菌消毒、新型光源、薄膜沉積、電磁波屏蔽、環(huán)境保護(hù)等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。大氣壓下DBD 通常表現(xiàn)為絲狀流注放電模式,這種形式的DBD 在放電空間存在大量高能量密度的電流細(xì)絲,其不均勻性及能量密度集中限制了其在很多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景,如材料表面改性、薄膜沉積、殺菌消毒等。
研究表明,絲狀放電并不是DBD 在大氣壓下的惟一表現(xiàn)形式,在一定條件下,DBD 也可以表現(xiàn)為均勻、穩(wěn)定的無(wú)細(xì)絲出現(xiàn)的放電模式,被稱為大氣壓均勻DBD 或大氣壓輝光放電。1988 年日本的Kanazawa 等報(bào)道了一種在大氣壓惰性氣體中產(chǎn)生均勻穩(wěn)定DBD 的方法,隨后這一課題受到世界各國(guó)研究者的廣泛關(guān)注。一些研究者先后在氦氣、氬氣、氖氣、氮?dú)獾葰怏w以及這些氣體的混合氣體中實(shí)現(xiàn)了均勻DBD ,并通過(guò)電學(xué)參數(shù)測(cè)量、發(fā)光圖像拍攝和數(shù)值模擬等手段研究了它們的特性。然而這些研究主要集中在大氣壓惰性氣體和氮?dú)庵?其中惰性氣體的價(jià)格昂貴,而氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w時(shí),需要密閉的工作環(huán)境。因此,最適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的便是空氣中實(shí)現(xiàn)的均勻DBD。近年來(lái)空氣中均勻DBD 的產(chǎn)生及特性研究成為熱點(diǎn),通過(guò)改變電極結(jié)構(gòu)、電源類型和阻擋介質(zhì),一些研究人員取得了可喜的成果。
本文是對(duì)空氣中均勻DBD 研究現(xiàn)狀的綜述在討論均勻DBD 的產(chǎn)生方法、機(jī)理以及診斷手段基礎(chǔ)上,從電源類型、電極結(jié)構(gòu)及預(yù)電離技術(shù)等方面綜述了空氣中均勻DBD 的研究現(xiàn)狀,最后分析了實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用空氣中均勻DBD 需要解決的問(wèn)題。
1、空氣中均勻DBD 的產(chǎn)生方法與機(jī)理
大氣壓下,氣體壓強(qiáng)p 與氣體間距d 的乘積pd值很高,DBD 通常表現(xiàn)為絲狀放電形式,可用流注理論來(lái)解釋。在外部電場(chǎng)的作用下,電子崩發(fā)展的速度很快并迅速向陽(yáng)極移動(dòng),空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)大大畸變了間隙上外加電場(chǎng)的分布,畸變的電場(chǎng)進(jìn)一步促進(jìn)電子崩的發(fā)展,在放電空間產(chǎn)生大量的光電離和二次電子崩,二次電子崩和主電子崩匯合,在放電空間產(chǎn)生流注放電區(qū)。在流注放電階段,放電空間充滿隨機(jī)分布的暫態(tài)流注,流注區(qū)域迅速向陰極發(fā)展,最終形成貫穿放電空間的高電導(dǎo)率的絲狀放電通道,因此在大氣壓下DBD 通常表現(xiàn)為絲狀流注放電形式。由于阻擋介質(zhì)的存在,空間電荷不是消失于電極而是在介質(zhì)表面積聚,積聚的電荷產(chǎn)生一個(gè)與外加電場(chǎng)相反的電場(chǎng),隨著介質(zhì)上積聚電荷增加,附加電場(chǎng)的作用也在增強(qiáng),氣隙中總的電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)下降,當(dāng)氣隙內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)下降到小于氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí),放電中斷 。因此,阻擋介質(zhì)的引入,不僅限制了放電電流的自由增長(zhǎng),也阻止了極間火花或弧光的形成,從而可以在氣隙中維持穩(wěn)定的放電。大氣壓DBD 的放電過(guò)程如圖1 所示。
圖1 大氣壓DBD 放電過(guò)程示意圖
Ea - 外加電場(chǎng), Esc - 空間電荷場(chǎng), Edc - 介質(zhì)表面電荷場(chǎng)
要想在大氣壓下產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的DBD ,必須設(shè)法降低放電空間的擊穿場(chǎng)強(qiáng),因?yàn)闇d放電和低氣壓輝光放電等均勻放電都是在低擊穿場(chǎng)強(qiáng)下產(chǎn)生的。一些研究者在低擊穿場(chǎng)強(qiáng)的惰性氣體(如氦氣、氬氣、氖氣等) 以及它們的混合氣體中實(shí)現(xiàn)了均勻DBD。研究表明,在惰性氣體中放電能產(chǎn)生高能級(jí)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)粒子,通過(guò)潘寧電離在下一次放電開(kāi)始前和氣體分子碰撞產(chǎn)生自由電子,從而產(chǎn)生空間分布均勻的種電子,降低了擊穿場(chǎng)強(qiáng),使電子雪崩不至于發(fā)展成為電離通道,阻止放電向流注放電過(guò)渡,放電表現(xiàn)為均勻和穩(wěn)定的形式。
Massines 等用數(shù)值模擬方法研究了氦氣中均勻DBD 的產(chǎn)生,并用納秒量級(jí)的高速CCD 拍攝了DBD的發(fā)光圖像。認(rèn)為在氦氣均勻DBD 中,激勵(lì)態(tài)粒子可以在下一次放電的起始階段提供更多的種電子,種電子被電場(chǎng)加速后和中性分子發(fā)生碰撞,通過(guò)潘寧電離形成自持放電,有效降低了擊穿場(chǎng)強(qiáng),從而產(chǎn)生氦氣均勻DBD。Trunec 等研究了大氣壓氖氣中均勻DBD 的產(chǎn)生,認(rèn)為氖氣均勻DBD 的放電機(jī)理與氦氣是相同的。Gherardi 等采用電學(xué)測(cè)量和發(fā)射光譜研究了氮?dú)饩鶆駾BD 的產(chǎn)生,研究表明,放電過(guò)程中氮?dú)獾募?lì)態(tài)粒子由于潘寧效應(yīng)會(huì)和其他中性粒子發(fā)生碰撞,在一次放電結(jié)束和下一次放電起始階段產(chǎn)生大量的種電子,正是這些種電子有效降低了放電空間的擊穿場(chǎng)強(qiáng),從而形成氮?dú)饩鶆駾BD。
然而,在空氣中實(shí)現(xiàn)均勻DBD 相對(duì)較難,這是因?yàn)榭諝馐怯裳鯕狻⒌獨(dú)夂退魵獾葰怏w組成的混合氣體�？諝庵蠨BD 電離產(chǎn)生少量的激勵(lì)態(tài)粒子會(huì)與電負(fù)性的氧氣分子發(fā)生反應(yīng)而快速消失。另外,電負(fù)性的氧氣分子還會(huì)吸附自由電子,導(dǎo)致放電空間的自由電子減少,形成流注放電。因此在大氣壓下惰性氣體中產(chǎn)生均勻DBD 的“激勵(lì)態(tài)機(jī)理”對(duì)于空氣不適用,空氣中能否產(chǎn)生均勻DBD 以及空氣中均勻DBD 的放電機(jī)理等問(wèn)題仍在進(jìn)一步研究中。Palmer 等提出“多電子崩耦合”理論來(lái)解釋均勻放電的形成過(guò)程,該理論認(rèn)為種電子密度決定了放電過(guò)程中能否產(chǎn)生均勻放電,如果種電子密度足夠高,氣體擊穿后,相鄰主電子崩的發(fā)展就會(huì)互相影響,形成的初始電子崩就會(huì)互相耦合,形成徑向均勻的電場(chǎng)分布,進(jìn)而形成均勻的空間電荷分布,最終導(dǎo)致均勻放電的形成。
Roth 等在實(shí)驗(yàn)室建立了一套大氣壓DBD 等離子體發(fā)生裝置,并初步實(shí)現(xiàn)了空氣中均勻DBD。他提出“離子捕獲機(jī)制”來(lái)解釋空氣中均勻DBD 的產(chǎn)生。該機(jī)制認(rèn)為,如果選擇合適的工作電壓頻率,在此頻率范圍內(nèi)間隙中放電產(chǎn)生的離子來(lái)不及在外加電壓的半周期內(nèi)全部抵達(dá)阻擋介質(zhì),則將在氣體間隙中留下空間電荷,下一個(gè)半周期放電過(guò)程將受此空間電荷的影響,使得放電空間的擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯降低,從而形成均勻放電。Roth 提出產(chǎn)生均勻DBD 的頻率范圍可用如下公式表示:
式中Vrms代表一個(gè)周期內(nèi)的有效電壓, mi 、me 分別代表離子和電子質(zhì)量, vci 、vce分別代表離子和電子的速度, e 代表電子電荷量, d 代表氣隙距離。近年來(lái)一些研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到與“離子捕獲機(jī)制”不相符的結(jié)論。王新新等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 當(dāng)氣隙距離大于5mm 時(shí),無(wú)論選擇多大的電源頻率,得到的只能是絲狀放電而非均勻放電。他們還通過(guò)理論計(jì)算推導(dǎo)出當(dāng)空氣間隙大于5mm 時(shí),如果不設(shè)法降低擊穿場(chǎng)強(qiáng),將無(wú)法產(chǎn)生空氣中均勻DBD 。丁兆軍等則通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了小于5mm 空氣間隙下“離子捕獲機(jī)制”的有效性,結(jié)果他們?cè)跐M足Roth 提出的條件下未能獲得空氣中均勻DBD�？偟膩�(lái)說(shuō),離子捕獲確定的電源頻率本身就受Vrms 、mi 、me 、vci 、vce 、d 等多種因素的影響, 這其中vci 、vce等因素都是微觀參量,無(wú)法直接測(cè)量,一般都是估算得到,因此必然會(huì)影響到計(jì)算出的產(chǎn)生均勻DBD 的電源頻率范圍。另外,氣體流速、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)等一些對(duì)DBD放電模式起主要影響的因素在“離子捕獲機(jī)制”中也并未加以考慮。
限于篇幅，文章中間的2、3、4章節(jié)省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。
結(jié)束語(yǔ)
相對(duì)于其他形式DBD ,空氣中均勻DBD 在生產(chǎn)工藝、可操作性及應(yīng)用前景等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì),是當(dāng)今DBD 研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前空氣中均勻DBD 已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展,但并未見(jiàn)工業(yè)化應(yīng)用的報(bào)道。筆者認(rèn)為,今后空氣中均勻DBD的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題:
(1) 加強(qiáng)其放電機(jī)理、穩(wěn)定機(jī)制以及微觀放電特性等方面的研究;
(2)嘗試在更大的氣隙距離下產(chǎn)生均勻的大功率密度的DBD;
(3) 不斷拓展空氣中均勻DBD 的應(yīng)用范圍以及與工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合。
總之,隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展,我們有理由相信,空氣中均勻DBD 將會(huì)在未來(lái)工業(yè)化應(yīng)用中發(fā)揮舉足輕重的作用。
