低温等离子体技术简介(介质阻挡放电)
所谓等离子体是继固体、气体、液体三态后，列为物质的第四态，由正离子、负离子、电子和中性离子组成，因体系中正负电荷总数相等，故称为“等离子体”。
等离子体按粒子温度可分为平衡态（电子温度=离子温度）与非平衡态（电子温度>>离子温度）两类。
非平衡态等离子体电子温度可上万度，离子及中性离子可低至室温，即体系表观温度仍很低，故称“低温等离子体”，一般由气体放电产生。
气体放电有多种形式，其中工业上使用的主要是电晕放电（在去除废气中的油尘上应用已相当成熟）和介质阻挡放电（用于废气中难降解物质的去除）两种。
低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术，低温等离子体处理废气的原理为：
当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，以达到降解污染物的目的。
低温等离子体的产生途径很多，我们使用的低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)。装置示意图如图1所示。
图1 介质阻挡放电示意图
DBD放电净化设备优点:
介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题。介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点：
①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎可以和所有的气体分子作用。
②反应快，不受气速限制。
③电极与废气不直接接触，不存在设备腐蚀问题。
④只需用电，操作极为简单，无需专人员看守，基本不占用人工费。
⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。
⑥气阻小，适用于高流速，大风量的废气处理。
⑦工艺已相对成熟。
低温等离子体技术(介质阻挡放电)净化原理为：
在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物异味得以降解去除。因其电离后产生的电子平均能量在1eV～10eV，适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速。其能量传递过程为：
电场+电子高能电子
受激电子
高能电子+受激分子活性基因
自由基
活性基因+分子（或原子）生成物+热
活性基因+活性基因生成物+热
异味废气在介质阻挡放电（DBD）的低温等离子体发生器中，这些废气因子被高能电子轰击后首先被打开成碎片。
而尾气中氧气和水气在高能电子作用下发生下列反应
O2＋ e O〃＋ O3 + O2-
H2O + e HO〃＋ H
废气因子解离的碎片粒子与氧气及O〃＋ O3 + O2-发生较为复杂的化学反应，降解为CO2和H2O等。
采用双介质的阻挡放电技术，属于干法处理，不需要任何吸附剂、催化剂及其他任何助燃燃料，只需采用380V交流电，经振荡升压装置获得高频脉冲电场，产生高能量电子，轰击分解废气中的恶臭、有毒的气体分子。具有安全可靠、操作简单、运行费用低、治理效率高、技术先进等特点。
低温等离子体介绍 基本概念 等离子体是物质存在的第四种状态。它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。 事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。无论是部分电离还是完全电离，其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体。 等离子体的分类 1、按等离子体焰温度分： （1）高温等离子体：温度相当于108~109 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。 （2）低温等离子体： 热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103~105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。 冷等离子体：电子温度高（103~104K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。 2、按等离子体所处的状态： （1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。 （2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。 什么是低温（冷）等离子体？ 冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组
等离子体化工导论讲义 前言 等离子体化工是利用气体放电的方式产生等离子体作为化学性生产手段的一门科学。因其在原理与应用方面都与传统的化学方法有着完全不同的规律而引起广泛的兴趣，自20世纪70年代以来该学科迅速发展，已经成为人们十分关注的新兴科学领域之一。 特别是，近年来低温等离子体技术以迅猛的势头在化工合成、材料制备、环境保护、集成电路制造等许多领域得到研究和应用，使其成为具有全球影响的重要科学与工程。例如：先进的等离子体刻蚀设备已成为21世纪目标为0.1μm线宽的集成电路芯片唯一的选择，利用等离子体增强化学气相沉积方法制备无缺陷、附着力大的高品位薄膜将会使微电子学系统设计发生一场技术革命，低温等离子体对废水和废气的处理正在向实际应用阶段过渡，农作物、微生物利用等离子体正在不断培育出新的品种，利用等离子体技术对大分子链实现嫁接和裁剪、利用等离子体实现煤的洁净和生产多种化工原料的煤化工新技术正在发展。可以说，在不久的将来，低温等离子体技术将在国民经济各个领域产生不可估量的作用。 但是，与应用研究的发展相比，被称为年轻科学的等离子体化学的基础理论研究缓慢而且较薄弱，其理论和方法都未达到成熟的地步。例如，其中的化学反应是经过何种历程进行，活性基团如何产生等等。因此，本课程力求介绍这些方面的一些基础理论、研究方法、最新研究成果以及应用工艺。
课程内容安排： 1、等离子体的基本概念 2、统计物理初步 3、等离子体中的能量传递和等离子体的性质 4、气体放电原理及其产生方法 5、冷等离子体中的化学过程及研究方法 6、热等离子体中的化学过程及研究方法 7、当前等离子体的研究热点 8、等离子体的几种工业应用 学习方法： 1、加强大学物理和物理化学的知识 2、仔细作好课堂笔记，完成规定作业 3、大量阅读参考书和科技文献
辉光放电与等离子体 1、辉光放电 通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。气体放电有“辉光放电”和“弧光放电”两种形式。辉光放电又分为“正常辉光放电”与“异常辉光放电”两种，它们是磁控溅射镀膜工艺过程中产生等离子体的基本环节。 辉光放电(或异常辉光放电)可以由直流或脉冲直流靶电源通过气体放电形成,也可以用交流(矩形波双极脉冲中频电源、正弦波中频与射频)靶电源通过真空市内的气体放电产生。 气体放电时，充什么样的工作气体、气压的高低、电流密度的大小、电场与磁场强度的分布与高低、电极的不同材质、形状和位置特性等多种因素都会影响到放电的过程和性质，也会影响到放电时辐射光的性质和颜色。 (1)直流辉光放电 ①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加; ②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值(即饱和值); ③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升;当电极间的放电电压大于某一临界值(点火起辉电压)时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。 ④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段”运行。其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升。 (2)脉冲直流辉光放电 脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉(因频率较高，肉眼难以分辨)。 溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没有完全被中和完毕，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。当电源输出脉冲的重复频率很低(例如几百HZ以下)或灭弧时间过长(大于100ms以上)，
辉光放电电晕放电介质阻挡放电射频放电滑动电弧放电射流放电大气压辉光放电次大气压辉光放电 辉光放电(Glow Discharge) 辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge)，工作压力一般都低于 10mbar，其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态(excited state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示)，荧光灯的发光即为辉光放电。因此，实验时若发现等离子的颜色有误，通常代表气体的纯度有问题，一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具，但因其受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，而无法广泛应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。 部分气体辉光放电的颜色 Gas He Ne(neon) Ar Kr Xe H2N2O2 Air Cathode Layer red yellow pink --
red-brown pink red pink Negative Glow pink orange dark-blue green orange-green thin-blue blue yellow-white blue Positive Column Red-pink red-brown dark-red blue-purple white-green pink red-yellow red-yellow red-yellow 次大气压下辉光放电(HAPGD)产生低温等离子体 由于大气压辉光放电技术目前虽有报道但技术还不成熟，没有见到可用于工业生产的设备。而次大气压辉光放电技术则已经成熟并被应用于工业化的生产中。次大气压辉光放电可以处理各种材料，成本低、处理的时间短、加入各种气体的气氛含量高、功率密度大、处理效率高。可应用于表面聚合、表面接枝、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成及各种粉、粒、片材料的表面改性和纺织品的表面处理。次大气压下辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电；放电时电极两端的电压低而功率密度大；处理纺织品和碳纤维等材料时不会出
FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS OF DIELECTRIC-BARRIER DISCHARGES U. Kogelschatz ABB Corporate Research Ltd, 5405 Baden, Switzerland, ulrich.kogelschatz@https://www.doczj.com/doc/7e17343449.html, Received: 24.05.2000 1. Introduction Dielectric-barrier discharges (DBDs), also referred to as barrier discharges or silent discharges have found a number of interesting industrial applications in addition to the historical ozone generation. The generation of powerful coherent infrared radiation in CO 2 lasers and of incoherent ultraviolet (UV) or vacuum ultraviolet (VUV) excimer radiation in excimer lamps are examples of more recent developments. VUV excimer radiation generated in DBDs can excite phosphors to emit visible light. This is the basis of mercury-free fluorescent lamps and of flat plasma display panels that will be used as wall hanging TV sets. Processes like pollution control and surface treatment with DBDs show great promise for the future. The most important characteristic of DBDs is that non-equilibrium plasma conditions can be provided at elevated pressure, for example atmospheric pressure. In DBDs this can be achieved in a much simpler way than with other alternative techniques like low pressure discharges, fast pulsed high pressure discharges or electron beam injection. The flexibility of DBD configurations with respect to geometrical shape, operating medium and operating parameters is remarkable. In many cases discharge conditions optimized in small laboratory experiments can be scaled up to large industrials installations. Efficient low cost power supplies are available up to very high power levels. 2. Discharge physics Typical electrode configurations of planar and cylindrical dielectric-barrier discharges are given in Fig. 1. DBDs are characterized by the presence of one or more insulating layers in the current path between metal electrodes in addition to the discharge gap(s). High Voltage Barrier Dielectric Discharge Gap Electrode AC Fig. 1: Common dielectric-barrier discharge electrode configurations A discharge having one or two dielectric boundaries has many similarities with discharges operated between metal electrodes. For the first ignition breakdown in a homogeneous electrical field is governed by the same Paschen law that is known from breakdown between metal electrodes. One fundamental difference is, of course, that DBDs cannot be operated with dc voltages because the capacitive coupling of the dielectric(s) necessitates an alternating electric field to drive a displacement current. Prudent utilization of the current limiting properties of the dielectric barriers is one of the major features in designing DBD configurations and their matching to the power supplies. As soon as charges are deposited on the dielectric they have an influence on local fields. After the first ignition these memory charges soon dominate DBD behavior. DBDs can be operated with sinusoidal or square-wave currents between line frequency and microwave frequencies or with special pulsed wave forms. For large-scale industrial applications power supplies operating between 500 Hz and 500 kHz are preferred.
低温等离子体技术简介 低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。 低温等离子体的产生途径很多，低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电 (Dielectric Barrier Discharge ，简称DBD)，该技术性能先进，运行稳定，获得广泛客户的认可。 装置示意图如图3-1所示。 介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，这种放电产生于两个电极之间。介质阻挡放电可以在0.1～10105Pa 的气压下进行，具有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点。整个放电是由许多在空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns 量级。介质层对此类放电有两个主要作用：一是限制微放电中带电粒子的运动，使微放电成为一个个短促的脉冲；二是让微放电均匀稳定地分布在整个面状电极之间，防止火花放电。介质阻 图3-1 介质阻挡放电示意图 交流高电压发生器高压电极 介质放电间隙 接地电极
挡放电由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题。 介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点： ①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎可以和所有的恶臭气 体分子作用。 ②反应快，不受气速限制。 ③采用防腐蚀材料，电极与废气不直接接触，根本上解决了设备腐蚀问题。 ④只需用电，操作极为简单，无需派专职人员看守，基本不占用人工费。 ⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。 ⑥气阻小，工艺成熟。 低温等离子体净化工业废气的工作原理: 等离子体中能量的传递大致如下： 图3-2 等离子体中能量传递图 介质阻挡放电过程中，电子从电场中获得能量，通过碰撞将能量转化为污染物分子的内能或动能，这些获得能量的分子被激发或发生电离形成活性基团，同时空气
介质阻挡放电低温等离子工业废气处理设备技术 介质阻挡放电形式产生等离子体，所产生等离子体的非常密度高。最初用于氟利昂类（Freon）、哈隆类（Halong）物质的分解处理，是国家为了研究保护地球臭氧层而设立的科研项目。延伸至工业恶臭、异味、有毒有害气体处理。该技术节能、环保，应用范围广，所有化工生产环节产生的恶臭异味几乎都可以处理，并对二恶英有良好的分解效果， 该技术世界首创、国际领先。 山东双成环保科技有限公司公司已研制出标准化废气处理设备，利用所产生的高能电子、自由基等活性粒子激活、电离、裂解工业废气中的各组成份，使之发生分解，氧化等 一些列复杂的化学反应。再经过多级净化，从而消除各种污染源排放的异味、臭味污染物，使有毒有害气体达到低毒化、无毒化，保护人类生存环境。 介质阻挡等离子废气的处理开辟了一条新的思路。该技术的应用，具有现代化工业生产里程碑的意义。 技术作用原理 低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程 中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物 作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物 的目的。（注：低温等离子体相对于高温等离子体而言，属于常温运行。）介质阻挡等离子体反应区富含极高的物质，如高能电子、离子、自由基和激发态分子等，废气中的污染物质可与这些具有较高能量的物质发生反应，使污染物质在极短的时间内发
低温等离子体技术简介(介质阻挡放电) 所谓等离子体是继固体、气体、液体三态后，列为物质的第四态，由正离子、负离子、电子和中性离子组成，因体系中正负电荷总数相等，故称为“等离子体”。 等离子体按粒子温度可分为平衡态（电子温度=离子温度）与非平衡态（电子温度>>离子温度）两类。 非平衡态等离子体电子温度可上万度，离子及中性离子可低至室温，即体系表观温度仍很低，故称“低温等离子体”，一般由气体放电产生。 气体放电有多种形式，其中工业上使用的主要是电晕放电（在去除废气中的油尘上应用已相当成熟）和介质阻挡放电（用于废气中难降解物质的去除）两种。 低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术，低温等离子体处理废气的原理为： 当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，以达到降解污染物的目的。 低温等离子体的产生途径很多，我们使用的低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)。装置示意图如图1所示。 图1 介质阻挡放电示意图
DBD放电净化设备优点: 介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题。介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点： ①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎可以和所有的气体分子作用。 ②反应快，不受气速限制。 ③电极与废气不直接接触，不存在设备腐蚀问题。 ④只需用电，操作极为简单，无需专人员看守，基本不占用人工费。 ⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。 ⑥气阻小，适用于高流速，大风量的废气处理。 ⑦工艺已相对成熟。 低温等离子体技术(介质阻挡放电)净化原理为： 在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物异味得以降解去除。因其电离后产生的电子平均能量在1eV～10eV，适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速。其能量传递过程为： 电场+电子高能电子 受激电子 高能电子+受激分子活性基因 自由基 活性基因+分子（或原子）生成物+热
介质阻挡放电生成低温等离子的实验研究 【摘要】低温等离子技术在环境治理方面具备独特的优势。介质阻挡放电法不仅操作简单，反应区域可控，并且在常温常压下也能进行，优势明显。本论文主要研究电压值、电极间距、相对湿度和温度对低温等离子生成效率的影响，探索介质阻挡放电生成低温等离子的最佳工作条件。 【关键词】低温等离子；介质阻挡放电 0.前言 低温等离子技术由于在环境治理方面具备效率高，操作简单，经济便捷等特点，从而受到广泛的研究。目前主要运用强电场、高能射线以及高温等方法，通过加速电子、离子或高能中性粒子的非弹性碰撞作用使得气体分子电离，从而产生低温等离子。 目前产生低温等离子的主要技术有弧光放电、辉光放电、介质阻挡放电等。弧光放电方法产生的等离子体温度过高，仅适合运用于高温领域；常用的辉光放电方法一般需要在低压下进行，在使用过程当中需要配备真空系统，因此使用步奏繁琐，操作复杂，难以满足连续生产的要求。介质阻挡放电法产生的低温等离子能够有效地控制在一定的区域范围内，并且操作简单，能在常温常压下进行，生产低温等离子的浓度可以通过电压、电极间距、温度等因素来控制，因此介质阻挡放电法得以广泛的运用。 介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电。工作原理是在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将绝缘介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。介质阻挡放电的电极结构可以根据实际需求而设计得多种多样。 目前虽然介质阻挡放电技术已被开发和广泛应用，但对它的研究仍不够全面和完善，本文主要研究不同条件对低温等离子生成效率的影响。 1.实验仪器和实验方法 低温等离子浓度测试目前分为直接测量法和间接测量法，直接测量法常用的方法有Langmuir探针法，间接测量法形式多，比如检测低温等离子对某物质的分解率。本实验采取间接测量法，通过检测甲醛的分解率来检测低温等离子的生成效率。 实验仪器包括低温等离子发生装置，反应容器（0.4m*0.4m*0.5m），甲醛检测仪，甲醛源，电源等。低温等离子发生装置电极为两圆柱形电极，电极材料为
介质阻挡放电及其应用 王新新 (清华大学电机系,北京100084) 摘 要:为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。 首先提出了只有拍摄曝光时间为10ns 左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用—大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。 关键词:介质阻挡放电;大气压辉光放电;汤森放电;辉光放电;气体放电;等离子体表面处理中图分类号:TM213;TM89文献标志码:A 文章编号:100326520(2009)0120001211 基金资助项目:国家自然科学基金重点项目(50537020);博士点专项基金项目(20040003011)。 Project Supported by National Natural Science Foundation (50537020),Special Research Fund for t he Doctoral Program of Higher Education (20040003011). Dielectric B arrier Discharge and Its Applications WAN G Xin 2xin (Depart ment of Elect rical Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ) Abstract :In order to comprehensively understand DBD ,we reviewed the investigations of dielectric barrier discharge (DBD )by focusing on the physics related to the uniform discharge at atmospheric pressure.It is suggested that the best way to distinguish a uniform discharge f rom a filamentary one is to take a picture with an exposure time of about 10ns.Even for a real uniform discharge ,it is important to f urther distinguish a glow discharge f rom a Townsend discharge.The only way to get a uniform discharge at atmospheric pressure is to make the discharge at a lower elec 2tric field by increasing the seed electrons initiating the discharge.Recently ,the uniform discharges at atmospheric pressure have been obtained in helium and nitrogen ,i.e.,subnormal glow discharge in helium and Townsend dis 2charge in nitrogen.Moreover ,we briefly introduced three industrial applications of DBD plasmas ,including the ad 2vanced ozone generator ,continuous double 2sided treatment of foil surface ,plasma display panel. K ey w ords :dielectric barrier discharge ;atmospheric pressure glow discharge ;Townsend discharge ;glow discharge ;gas discharge ;plasma surface modification 0 引言 近20年来,气体放电产生的低温等离子体得到越来越广泛的应用,等离子体处理技术应运而生。而介质阻挡放电(Dielect ric Barrier Discharge :DBD )可以在大气压下产生低温等离子体,特别适合于低温等离子体的工业化应用[1]。虽然人们对DBD 的研究已经有100多年的历史,仍然有一些问 题没有解决。因此,DBD 至今还是气体放电领域的 研究热点。目前,DBD 的研究可分为放电物理研究和应用技术研究两个方面。前者主要集中在放电属性的界定(细丝放电、均匀放电、汤森放电、辉光放电);大气压下均匀放电产生的条件和物理机制等。 后者主要集中在如何提高等离子体处理效率,减小能耗等。本文将根据本人和他人的研究成果,对DBD 及其应用进行综述,重点集中在放电物理方面 的最新研究成果。本文结构安排如下:首先简要回顾DBD 研究的历史,接着介绍DBD 细丝放电模式的产生机制和主要物理参数,然后重点论述DBD 均匀放电模式的关键问题,包括均匀放电的判定方法、均匀放电的分类、均匀放电产生的物理机制和条件、大气压氦气辉光放电和氮气汤森放电的认定。最后对DBD 等离子体的3种工业化应用作简要介绍。 1 介质阻挡放电研究简史 所谓介质阻挡放电(Dielect ric Barrier Dis 2charge :DBD )如图1所示,它是在两个金属电极之 间的气隙中插入至少一块绝缘介质,以阻挡贯穿气隙的放电通道,故称之为介质阻挡放电,或简称DBD 。DBD 通常采用两种电极结构,平行平板电极 结构和同轴圆筒电极结构。 ? 1? 第35卷第1期 2009年 1月 高 电 压 技 术 High Voltage Engineering Vol.35No.1 Jan. 2009
气体放电中等离子体的研究 091120*** 一、实验目的 1、了解等离子体的产生和有关参数的物理意义 2、采用探针法测量气体放电等离子体的电子温度和电子密度 二、实验原理 1.等离子体及其物理特性 等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。当系统尺度L＞λD时，系统呈现电中性，当L＜λD时，系统可能出现非电中性。 2.等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Ｔe。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为ｎe，正离子密度为ｎi，在等离子体中ｎe≈ｎi。 （3）轴向电场强度ＥL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ｅe。 （5）空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。 3.稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在1０～1０2Pａ时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.3-1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）辉区(即正辉柱)，（7）阳极暗区，（8）阳极辉
介质阻挡无声放电中电子温度和 电子能量分布的探极诊断 凌一鸣,徐建军 (东南大学电子工程系,南京210018) 摘 要: 用对称双探极和非对称双探极分别诊断氖气中介质阻挡无声放电的电子温度和电子能量分布.本文概述其诊断技术的原理、装置和实验结果,并分析讨论了实验结果.实验表明,这种放电的电子温度随着气压的增加而减少,并明显高于相应气压下的直流放电电子温度,而且,其电子能量分布明显偏离Max wellian 能量分布. 关键词: 探极诊断;电子能量分布;介质阻挡放电;无声放电;等离子体诊断;等离子体显示中图分类号: O461 文献标识码: A 文章编号: 037222112(2001)022******* Probe Diagno sis of Electron Temperature and Electron Energy Distribution in Dielectric Barrier Silent Discharge LI NG Y i 2ming ,X U Jian 2jun (Dept.o f Electronic Engineering ,Southeast University ,Nanjing 210018,China ) Abstract : The symmetrical and asymmetrical double probes have been used to diagnose the electron temperature and the elec 2tron energy distribution in the dielectric barrier discharge ,respectively.In this paper ,the principle and setup of the diagnosis are de 2scribed briefly ,and the experimental results are discussed.It can be proven from these results that its electron temperature can be in 2creased by decreasing the filled pressure and can be higher than that in DC discharge ,and its electron energy distribution is obviously deviated from Max wellian. K ey words : probe diagnosis ;electron energy distribution ;dielectric berrier discharge ;silent dischange ;plasma diagnosis ;plas 2ma display 1 引言 介质阻挡无声放电是一种特殊类型的气体放电,属非平 衡态等离子体,其结构特征之一是它的电极(至少有一个)是被绝缘介质层所覆盖[1].它的机理主要包括两种物理过程:一种是放电空间的带电粒子在电场作用下的电子繁流;另一种是这些带电粒子由于漂移运动而沉积在绝缘介质层上所形成的壁电荷抵消了外电场,又使电子繁流猝灭.因此这是一种放电着火又猝灭的暂态过程,属无声放电机理范畴.只有在交变电场作用下,放电才呈准连续工作状态.这种放电已被广泛应用于臭氧合成[2,3],紫外与真空紫外的获得[4,5],气体激光器的激励[6,7],环境保护[8,9]等方面.尤其是近几年,等离子体显示技术的高度发展[10,11],它将成为21世纪初大屏幕显示技术的重要支柱.这种交流等离子体显示板的工作机制就是介质阻挡无声放电.因此,对它的深入研究对所涉及的一系列应用领域的理论、技术和开发具有重要的实用意义. 由于气体放电机理的复杂性以及有关物理过程的随机 性,尽管当前各种运算手段相当先进,但终究由于原始数据的局限性和理论假设的近似性,以致往往使理论分析结果与实际放电现象和内在机制有明显差异.因此,对它的研究还有赖于各种实验诊断手段.本文将采用实验研究的手段诊断这种放电中的电子温度和电子能量分布. 2 诊断原理 气体放电现象是相当复杂的,它把电源的电能转变成光、声、电、化学等多种形式的能量.其能量的主要输运者就是电子.它们在气体导电过程中的运动和频繁碰撞,使它们在一定能量分布的状态下达到平衡,其电子的平均能量可用电子温度表示.上述的无声放电也是这样,只不过其电子温度和电子能量分布均随时间而变化.为方便起见,这里主要研究整个放电周期内放电参量的平均值,故采用直流诊断技术.况且,它的许多应用都注重总的效果.因此,这种诊断结果仍有实用价值. 收稿日期:1999209227;修回日期:2000208218基金项目:国家自然科学基金(N o.69578003) 第2期2001年2月 电 子 学 报 ACT A E LECTRONICA SINICA V ol.29 N o.2 Feb. 2001
甲醇在介质阻挡放电条件下的反应 摘要：采用介质阻挡放电的方法，对甲醇在非平衡等离子体体系中的反应进行研究。对甲醇蒸汽进行放电实验，分析其产物并考察放电参数和反应条件等对甲醇转化率和产物分布的影响。结果表明，在介质阻挡放电条件下，甲醇的主要转化产物是乙醇、乙二醇、丙三醇、甲烷、一氧化碳、水和其他的高碳化合物。 关键词：甲醇，低温等离子体，介质阻挡放电 1引言 目前我国煤化工发展快速，煤制甲醇技术逐步成熟，各大煤炭产地煤制甲醇严重过剩，因此甲醇转化制取高附加值化工产品意义远大。传统技术领域中甲醇转化制高附加值产品，都是采用常规热催化法技术路线以及光催化法技术路线，但是这些方法设备庞大，操作流程复杂，原料利用率低，需用催化剂，且对环境污染严重。从而如何把甲醇进行清洁、高效的转化并利用，已经成为了人们关注的一个重点。 在等离子体空间内部含有大量高活性粒子，如原子、电子、分子、离子和自由基等，其内部电子的高能量足以将反应物分子激发、解离和电离，从而产生高活化状态的反应物种粒子[1～4]。等离子体放电条件温和、洁净，操作简便，容易控制，受到广大等离子体科研工作者的青睐，并已广泛的应用到等离子体化学品合成领域，如氮氧化物气体处理[5]，煤液化[6]，甲醇分解制氢[7]等。低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，在表面改性中广泛的应用。 2实验 原料气空气首先进入甲醇储瓶，将甲醇气体带出，流量通过气体流量计显示，混合气体进入介质阻挡放电反应器（DBD）中进行反应，最后用气相色谱分析出口端气体的成分。分别考察放电间距、输入功率、原料进气量对甲醇转化率和产物产率的影响。 气相色谱色谱柱：中科院兰州物化所OV-1701改性毛细管柱（30m×0.32mm×1μm），柱温：50℃，汽化室温度：240℃，检测室温度：240℃，柱压：0.04MPa，检测器：FID检测器，氮气流量：30ml/min，氢气流量：30ml/min，进样体积400uL。程序升温；起始温度50℃，保留时间10 min，以10°C /min升至240℃，保留10 min，降温。 本实验考察的主要评价指标是CH3OH转化率和以碳为基准的产物（CH4，CO，CH3CH2OH，CH2OHCH2OHCH2OH）的产率。其计算式如下： X CH3OH（%）= 反应的甲醇摩尔数/甲醇总摩尔数×100%
1、论文（设计）研究目标及主要任务 近些年来，等离子体的研究受到高度关注，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，为了控制离子入射到极板上的行为，通常在极板上施加一射频(RF)偏压，从而在极板附近形成一射频等离子体鞘层。本课题将对离子在射频鞘层中的运动行为进行跟踪研究，力求找到等离子体中各基本粒子随射频频率变化而引起的分布情况。利用流体力学方程，将采用一个自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型实施数值模拟。 2、论文的主要内容 介绍等离子体的概念；等离子体的流体力学理论；对射频等离子体放电的流体动力学模拟射频等离子体鞘层动力学模型给予论述。对模拟结果进行分析研究，为其应用提供理论基础。 3、论文的基础条件及研究路线 根据现有的研究成果，描述任意频率段的射频鞘层演化过程以及对射频放电的物理过程进行分析计算,并指明今后的研究方向。 4、主要参考文献 [1] 居建华．氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响[J]．物理学报，2000，49(11)：2310-2314． [2] 马锡英．氮化硼薄膜的生长特性粘附性研究[J]．物理学报，1998，304(05)：3-101． [3] 戴忠玲．射频等离子体鞘层动力学模型[J]．物理学报，2001，50(12)：2399-2402． [4] Hua-Tan Qiu．Collisional effects on the radio-frequency sheath dynamics[J]．Journal of applied physics，2002，51(06)：1332-1337． [5] 朱武飚．负偏压射频放电过程的流体力学模拟[J]．物理学报，2000，45(07)：1138-1145． [6] 马腾才．等离子体物理原理[M]．合肥市：中国科学技术大学出版社，1988：1-2 32． 5、计划进度 阶段起止日期 1 收集资料，确定题目2011.01.04－2011.01.15 2 总结资料，撰写开题报告2011.01.16－2011.02.30 3 构思框架，书写论文初稿2011.03.01－2011.03.30 4 完成论文二稿,英文文献翻译2011.04.01－2011.04.30 5 修改并完成论文2011.05.01－2011.05.15指导教师：高书侠 2011 年 1 月 2 日
南京大学物理系实验报告 题目实验2.3 气体放电中等离子体的研究 姓名朱瑛莺 2014年4月4日学号 111120230 一、引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 二、实验目的 1、了解气体放电中等离子体的特性。 2、利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 三、实验原理 1、等离子体及其物理特性 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 2、等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为n e ，正离子密度为n i ，在等离子体中n e ≈n i 。 （3）轴向电场强度E L 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ee 。 （5）空间电位分布。 3、稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10-102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。 如图1所示，其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105Ｋ），但放电气体的整体温