常压介质阻挡放电的特性研究及应用前景

陈龙溪 ，吴 斌

（1.山东青年政治学院，山东 济南 250103；2.山东省信息安全与智能控制高校重点实验室，山东 济南 250103；3.中国科学院等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031）

现阶段，由于常压低温等离子体在材料加工、环境工程、食品加工等领域的广泛应用，常压低温等离子体得到了越来越多的重视和研究。现在常压低温等离子体可通过多种方式产生，例如，利用电晕放电、射频微波放电、介质阻挡放电等。而在这些放电方式中，介质阻挡放电由于其具有放电均匀、散漫和稳定等优点[1]，近年来受到人们越来越多的重视和研究。介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式，介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里。这样，当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在常压下也会被击穿而形成常压介质阻挡放电。

事实上，早在100多年前，等离子体在工业上已得到应用，比如利用臭氧净化水、荧光灯、薄膜刻蚀等[2]。但早期对等离子体的应用主要是低气压等离子体，低气压等离子体存在诸多缺点，它只能在真空条件下和特定的容器内反应，随着气压的增加，平均电子自由程减小，当气体压强与气体间隙的乘积大于20TorrCm时，电子的平均自由程与气体间隙相比就变得非常的小，导致电子在到达阳极之前产生电子雪崩，从而在电场中产生足够的带电电荷，在大气压下，低温放电常常是由一系列的微放电组成的，微放电通道直径大约为100um，很容易造成放电拉弧[3]。介质阻挡放电实验装置的建立，解决了低气压等离子体和大气压下放电拉弧的缺点，使气体放电在一个大气压下就能均匀的进行，从而工业等离子体的应用范围也越来越广泛。一系列有前景的工业应用已经被很好的研究，其中包括增加聚乙烯聚丙烯等纺织材料表面能和亲水性能[4]，等离子体气相沉积及材料表面刻蚀[5]，食品保鲜及灭菌工程[6]，清除柴油机引擎的油烟和易挥发性物质[2]等。

1 介质阻挡放电装置及实验条件

1.1 典型的实验装置

典型的介质阻挡放电和间隙结构如图一所示。以最简单的电极结构为例，这些电极和间隙结构可以是平面型的，也可以是同轴圆柱形的。介质阻挡层可以为单层或双层，可以覆盖在电极上或悬挂在放电空间中。构型（a）可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。在电极间安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，而且能够形成通常大气压下的稳定的气体放电。构型（b）的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子体直接与金属电极接触；对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种构型具有独特的优点。图（c）是很实用的放电构型，它常用以制造臭氧发生器；其特点是结构简单，而且可以通过金属电极把放电产生的热量耗散掉[1][7]。

现在的研究中，介质阻挡放电的实验装置出现了许多新的构型，但基本结构都是在以下三种装置构型的基础上搭建的。例如美国田纳西州立大学等离子体科学实验室Roth等人研究的一种能够在介质表面产生一个大气压均匀介质阻挡放电等离子体层的装置[8]，就是在构型（c）的基础上把下电极分成许多小细丝电极搭建而成的。

图1 介质阻挡放电装置

1.2 实验条件

介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作，而且目前常用的工作条件是104～106Pa，频率为50HZ～1MHZ[1]。虽然这种放电已经被开发和应用的比较广泛，可对它的仔细研究还只是近几十年的事情。

1988年，日本的Sophia大学的Okazaki等研究人员通过实验提出了大气压下获得稳定等离子体的三个条件[9]：（1）利用氦作为稀释气体；（2）采用KHZ频率的电源；（3）在电极板上覆盖绝缘介质。江苏大学蔡忆昔等人关于介质阻挡放电中，介质材料、介质厚度、放电间隙、电压及频率等相关参数对放电特性的影响作了一系列的研究[7]，他们发现采用介电常数大、较薄的介质，当放电参数及其它因素不变时，放电强度随相对介质常数的增大而增大，随介质厚度的增大而减小。在介质阻挡放电装置结构参数确定后，放电功率随输入电压的升高而增大。放电间隙增大时，形成较粗的丝状放电，且微放电通道的分布密度降低，放电的不均匀性增加。当调压调频交流脉冲电源与介质阻挡放电装置匹配时，存在最优的放电频率。

2 机理研究及参数诊断

2.1 机理研究

常压介质阻挡放电是一种高气压下的非平衡放电。这种放电的击穿和其它放电的相似之处是在外电场作用下电子从电场中获取能量，通过电子与周围原子分子碰撞，电子把自身的能量转移给它们，使它们激发电离。当气体间隙的外电场电压超过气体的击穿电压时，气体被击穿。在介质阻挡放电中，由于电极间介质的存在，限制了放电电流的自由增长，因此也阻止了极间火花或弧光的形成。在大气压下，气体的击穿会造成大量的电流细丝通道，而每一个通道相当于一个单个击穿或者是流光击穿，这就形成了所谓的微放电[1][10]。在较低的激励电压条件下，微放电在空间内的分布是相互独立存在的，随着激励电压的增加，两个原来相互独立的微放电之间开始出现其它的微放电，并且沉积在介质表面的电荷在介质层表面的扩散作用也相应的增强。激励电压越高，这些现象表现得越明显，最后在介质层表面形成一层很强也很均匀的沉积电离层[11]。击穿发生时，电场和汤生放电电场一致，随着气体电离度的增加，电荷向介质层上聚集，空间电场发生很大变化，介质层处的电位不断下降，引起介质层附近的空间电场不断衰减[3]。相反，随着电子源源不断被输运到介质层，空间的正离子在阴极附近相对较多，造成阴极附近的电场增加。

介质阻挡放电过程中，对电场产生影响的因素主要有两个方面，即介质层积累电荷对电场的影响以及空间电荷对电场的影响。总体上看，介质阻挡放电的电场类似于气体辉光放电中的电场，在阴极前方有一个类似的阴极位降区，而在阳极前方有一个类似的正柱区[12]。放电过程中，电子的碰撞导致电子雪崩，从而短时间内形成了一个大的放电通道，由于很高的局部电场的作用，雪崩中的高能部分的电子将进一步得到加速，它们的逃逸引起击穿通道向阳极方向传播。一旦这部分空间电荷到达阳极，在那里建立的电场会向阴极方向返回，这样就会有一个更强的电场波向阴极方向传播过来。在传播过程中，原子和分子得到进一步电离，并激励起向阴极传播的电子反向波。这样一个放电通道能非常快的通过放电间隙而造成气体的击穿，这种击穿机制在常压下常会形成一带状形貌[1][13][14]。F.Massines 等 人 认为，介质阻挡放电应该被分为两部分，一部分为貌似辉光放电，另一部分为汤生放电。因为放电区域足够大，以至于影响了一次放电到下一次方电时的存储效应，而这种存储效应对于获得常压介质阻挡放电是十分重要的[15]。

由于气体被击穿，导电通道建立后，空间电荷在放电空隙中输送并积累在介质上，介质表面电荷将建立电场，其方向与外电场相反，从而削弱作用电场，以致中断放电电流，所以常压介质阻挡放电是一个放电、熄灭、重新放电的复杂、瞬态过程，对该过程起决定作用的为电子和重粒子之间的非弹性碰撞[1][7]。

2.2 参数诊断

在常压介质阻挡放电等离子体的产生方面，国内外已经取得了一些成果，但是要更好的应用于工业生产必须充分了解等离子体的特性，这就涉及到等离子体的参数诊断问题。目前国内外对常压介质阻挡放电等离子体特性的诊断研究仍处于初步阶段。

郎谬尔探针是最普遍用来诊断等离子体参数的工具，但是在大气压等离子体中离子和电子在被探针收集之前与中性粒子发生了频繁碰撞，因此普遍应用于低气压下等离子体参数诊断的探针理论和计算公式无法在大气压情况下使用。现在研究中一般采用球形探针[16]和Stark效应产生的谱线展宽[17]来测电子的温度和密度的。用Stark效应产生的谱线展宽测电子密度要分辨率很高的发射光谱仪，通常要求分辨率达到0.01nm或更高，否则难以看出展宽来[18]。

3 当前的应用研究及应用前景

为了维持我们的生活方式和当前的收入水平，同时又使目前非工业化国家分享现代工业化社会的福利，必须在全球范围内提高总体能源消费的效率和效能。低温等离子体应用将不容置疑地对工业中现用主要耗能加工过程的效率和效能的提高起十分重要的作用。同化学的和其它的方法相比，等离子体具有更高的温度和能量密度，从而引发在常规物理化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。低温等离子体应用提供了更有利的工业加工方法，包括更有效和更便宜达到工业相关结果的能力。现阶段，常压介质阻挡放电等离子体的工业应用主要集中在各种膜的制备和改性；材料的制备、改性与表面处理；空气净化与污染的防治；金属的切割与加工；大规模集成电路的制造与微机械加工；多种传感器的制作；生物的改性；军事方面的应用，如等离子体隐身不涉及飞行器本身的空气动力系统等。

目前，介质阻挡放电等温离子体在材料表面改性方面得到了很好的研究，并已被广泛应用于工业生产。这主要表现在材料表面聚合和刻蚀两个方面。等离子体聚合不要求单体有不饱和单元，也不要求含有两个以上的特征官能团，在常规情况下不能进行的或难以进行的聚合反应，在等离子体中变得易于聚合而且聚合速度可以很快，并且生成的聚合物膜有高密度网络结构，网络的大小和支化度在某种程度上可以控制，这样的膜机械强度、化学稳定性和热稳定性均好。常压介质阻挡放电等离子体聚合的工艺过程非常简单，无论是内电极式还是外电极式，一般都是先将反应器抽至一定的真空，然后充入单体蒸气，保持一个大气压值，在适当选择的放电功率下发生等离子体，即可在材料表面生成聚合薄膜[5][19]。

等离子体刻蚀已在微电子加工[20]、棉纺织品材料表面处理等工业得到很好的应用。在显微镜下观察发现介质阻挡放电处理后的棉纺织样品比丝状放电处理后的样品更光滑，表面自由能有所增大，水的接触角有所降低[4][21]。而且等离子体处理棉纺织品能耗低、污染小。一个例子说明等离子体相关方法能够减少废料产品和能量消耗。用传统的氯化处理方法和相等效果的低气压等离子体处理制造可印染毛料的结果：和传统的氯化处理相比，低压（2～6Torr）等离子体每年处理120吨羊毛可节约27 000立方米水、44吨亚氯酸钠、16吨二硫化钠、11吨硫酸和685兆千瓦时电能。用传统方法，这些原料将产生不需要的或有毒的产品，对工人产生职业危害。生产一千克可印染毛料的能量消耗，传统氯化方法为7kwh／kg，而低压等离子体处理为0.3～0.6kwh／kg。

废气处理方面，在烟囱中加一个介质阻挡放电装置，电场产生高能量电子，电子在电场中被加速，然后与通过电场的烟气中的微粒碰撞，发生吸附、氧化、分裂等反应，失去能量，回到低能量状态，然后又进行下一轮循环。被吸附上高能量的电子的尘粒将带上电荷，被吸附到相反的电极，从而达到除尘效果，其除尘率达99%。当电子被加速时，与气体分子 N2，O2，H2O，CO2，撞击，将能量传递给它们，从而形成O，N，OH等原子、正负电子及激活后的分子，这些电子与离子，离子与离子及电子拆分的反应，大量的O，OH，H及O3等离子体反应，将SO2和NO氧化成NO2，N2O5，SO3或者生成悬浮物质。将这些生成物通入水中，然后再向水中冲入NH3，可将含硫氧化物和含氮氧化物转变成NH4NO3和（NH4）2SO4混合肥料，经过以上反应达到99%得除氮效果，并且SO2的排放量小于100mg／m3[22－23]。

另一方面，在对电磁波与大气压等离子体的研究中，人们发现在大气压或接近大气压的情况下，电子与中性粒子的碰撞十分频繁，碰撞频率与雷达波频率量级相当[18]，这可应用于等离子体隐身技术。等离子体隐身不涉及飞行器本身的空气动力系统，大幅度降低了飞行器的被发现概率。对飞行器外形没有特殊要求。不仅可以吸收雷达波，还能吸收红外线辐射。具有吸收频带宽、吸收率高、使用简便、服役时间长等特点。成本相对比较低廉。等离子体可做成快速开、关的隐身系统。等离子体能减少飞行阻力30%以上。

总之，常压介质阻挡放电等离子体可适用于更多的领域，而且这方面也受到越来越多的重视和研究。目前的现状是，常压介质阻挡放电等离子体技术已经得到了广泛的应用，但其物理过程、等离子体性质、稳定机制等方面还不够清晰，许多方面都有待于人们的进一步探究，而随着研究的深入，其未来将有一个更加广泛的应用前景。

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