大气压等离子体加工技术研究

第59卷第2期2019年3月大连理工大学学报J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yV o l .59,N o .2M a r .2019文章编号:1000-8608(2019)02-0118-06大气压氧气中稳定形态气液放电等离子体特性研究冯 静, 杨德正*, 张 丽, 王 森, 袁 皓, 赵紫璐, 周雄峰, 王文春(大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室,辽宁大连 116024)摘要:通过在放电回路中连接电容来控制放电电荷数目并得到稳定的氧等离子体.利用测量的电压电流波形和放电图像的变化分析了放电模式在不同应用电压下的转化过程.根据等离子体发射光谱计算了各种活性物种的发射光谱强度,模拟了等离子体气体温度㊁振动温度的变化过程.结果表明:随着应用电压的增加,等离子体放电模式在电压正半周明显地从流光放电转化为辉光放电最后转化为弧光放电,在电压负半周从电晕放电转化为弧光放电.在放电回路中加入电容可以限制单次放电的电荷数目,提高放电的稳定性.与放电模式的转化相对应,等离子体的气体温度先增加后不变.关键词:气液放电;氧等离子体;电容;模式转化;温度中图分类号:T P 319;O 242.2文献标识码:Ad o i :10.7511/d l l gx b 201902002收稿日期:2018-04-11; 修回日期:2019-01-11.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51407022,51677019,51377014);国家重点研发计划项目(2016Y F C 0207200).作者简介:冯静(1995-),女,硕士生,E -m a i l :z i p u t a o f e n g @ma i l .d l u t .e d u .c n ;杨德正*(1984-),男,博士,副教授,硕士生导师,E -m a i l :y a n gd z @d l u t .e d u .c n .0 引 言大气压放电等离子体具有电子温度高和活性物种密度大等特点,能够采用一些非传统的软材料作为电极,例如塑料㊁生物组织㊁水溶液等,可以广泛应用于材料表面改性㊁生物医学㊁杀菌消毒以及纳米颗粒制备,等离子体处理饮用水技术就是在这个基础上发展起来的[1-4].与常规等离子体水处理技术相比,气液放电等离子体的优势在于等离子体与水溶液直接接触发生复杂的物理化学过程并产生大量的活性物种,水溶液使得活性物种更容易扩散,在扩散过程中还会产生新的活性物种.常见的活性物种主要包括活性氮基团(R N S)和活性氧基团(R O S ),为了产生这两种活性基团常用的工作气体主要为含氮和含氧气体[5-7].氮气放电等离子体会产生具有强氧化性的过氧亚硝酸(O N O O H ),但是同时也会产生难以分离出来的硝酸根离子(N O -3)和亚硝酸根离子(N O -2)[8-9],还会改变溶液的p H.放电产生的副产物对处理结果有很大的影响,L u k e s 等[10]研究了空气气液放电等离子体产生的硝酸㊁亚硝酸对液体的二次污染过程.随着放电时间的延长,上述副产物并没有减少,反而持续增加.在饮用水处理中要避免这种二次污染的产生就要避免使用氮气作为工作气体.氧气放电等离子体会产生强氧化性的羟基自由基O H 和氧原子O ,在杀菌消毒方面具有显著效果[1].但是氧气作为一种电负性气体,在放电初始阶段会吸附雪崩电子,造成放电的起始电压升高,在放电过程中又会吸收低能电子,使得电子的平均能量升高,影响放电的稳定性,使放电容易向热不稳定形态转化.虽然氧气放电等离子体会产生羟基自由基O H ,但是O H 会被氧气放电等离子体产生的O ㊁O 3等大量猝灭,不利于光谱的测量,不稳定的放电同时也会影响光谱测量[11].在W a n g 等[12]㊁S h i 等[13]的研究过程中发现:放电等离子体会在无外加磁场和热场的条件下产生放电模式转变,同时改变等离子体的相关特性.在本文实验中,以氧气作为工作气体,采用针-水电极结构,得到一种稳定可控的气液放电氧等离子体.电容能够限制单次放电的电荷数目,所以通过在放电回路中加入合适的电容来抑制放电的不稳定性.在实验过程中,随着外加电压的变化,等离子体产生明显的放电模式转变.本文对放电模式转变过程的电学特性和光学特性进行测量和分析.根据等离子体的发射光谱对活性物种的发射光谱强度进行计算,对等离子体的气体温度进行模拟.1 实验方法实验装置如图1所示,主要分为等离子体发生器㊁电容(75p F ,快速充放电脉冲电容)㊁配气系统㊁交流电源㊁电学探测系统和光学探测系统.等离子体发生器包括一个倒置的带进气支管的石英漏斗,漏斗距离下边3m m 处均匀分布6个直径2m m 的出气孔.漏斗上高压端放置一个白钢针电极与漏斗密封,下端接地的一圆形板电极也与漏斗密封.等离子体发生器底部放置在水中使液体进入容器内部.实验主要使用的工作气体为氧气(O 2),流速为20m L /m i n ,部分实验数据的测量需要混合10%的氮气(N 2),流速不变,通过质量流量控制计控制.实验中的电学探测系统主要包括高压探头1(H V -P 60,2000ʒ1,1000MΩ,5p F )㊁高压探头2(T e k t r o n i xP 6015-A ,1000ˑ,3.0p F ,100MΩ)㊁电流探头(P e a r s o n 电流传感器,型号4100)和示波器(T e k t r o n i x T D S 5054,500MH z ).高压探头1和2分别连接在电容两端,测量的电压信号分别为等离子体的应用电压和气体电压.光学探测系统包括光纤探头㊁单色仪(2400l i n e s /m m ,300n m ;1200l i n e s /m m ,500n m )㊁C C D 相机(N e w t o n D U 940P -B V )和计算机.图1 气液放电等离子体实验装置图F i g .1 T h e s c h e m a t i c o f e x p e r i m e n t a l s e t u p fo r g e n e r a t i o n o f g a s -l i q u i dd i s c h a r ge p l a s m a 2 结果与分析2.1 放电图像和电学特性图2是在不同的应用电压下,气液放电氧等离子体的应用电压㊁气体电压和放电电流的波形图以及相应的放电图像.电流波形的显著变化表明在这个过程中存在着不同的放电模式转变.由于电极结构的不对称导致了正㊁负半周电流波形的不对称.不同的电流变化方式意味着放电模式转变的过程在正㊁负半周也不同,所以把它们分开讨论.对正半周,在较低的应用电压下(图2(a)),气体间隙呈现间歇性的击穿,即并不是每个周期都有放电发生.这主要是由于参与放电的电荷受串联到放电回路中电容的限制.应用电压较低时,电容存储电荷数量较少,当达到临界值,电荷快速释放,气体电压急剧下降.随着应用电压的升高,电容存储电荷数量增多,放电逐渐分布到每个周期之中.在每半个周期内,放电的时间在电压达到本周期的峰值之前.气体电压在击穿的瞬间下降到零以下,放电被过零熄灭,此时放电属于典型的流光放电(图2(b )).这种放电模式是由单电子雪崩引起的,是一种放电的丝带通道.如果在流光放电的基础上增加电极上的电压,电子雪崩就会继续发展,到一定程度之后,流光放电就会向火花放电过渡(火花放电是一种不均匀且不稳定的放电).电路中的电容能够控制电荷释放的数量,使得放电不向火花放电发展.此时电极间的剩余电荷数目不足以维持放电的继续进行和放电模式的转化.随着应用电压和注入功率的继续增加,正半周期的电流峰值出现了明显的下降(毫安量级).电流相同的陡峭上升沿,表明此时的放电和低电压时的击穿机制类似.同时电流的持续时间增加到了微秒量级(8.28μs),这是因为等离子体在首先通过流光通道击穿后,由电压升高带来的电荷量增加可以进一步维持放电.此时放电已经从流光放电模式转化为辉光放电模式了,同时放电形态也由丝状的电离通道转变成了弥散的辉光形式.应用电压的变化不明显是因为在辉光放电模式,空间电荷的效应更加明显,如图2(c )所示.随着应用电压峰-峰值的进一步增加,如图2(d )所示,在每个周期内将存在更多的放电模式.气体电压的峰值下降到了2.93k V.这种低电压高电流密度的放电模式是很明显的弧光放电.这种转变的一个原因是因为电极两端电压的增加使得等离子体中正离子的能量增加,正离子轰击阴极使阴极温度升高,导致释放出的电荷数目增多,电流密度增加.911 第2期冯静等:大气压氧气中稳定形态气液放电等离子体特性研究(a )应用电压峰-峰值9.24kV (b )应用电压峰-峰值6.56kV(c )应用电压峰-峰值11.36kV(d )应用电压峰-峰值16.96k V图2 不同应用电压下的放电图像和电压电流波形图F i g .2 D i s c h a r g e i m a g e s a n dw a v e f o r m s o f v o l t a g e a n d c u r r e n t f o r d i f f e r e n t a p p l i e dv o l t a ge s 对负半周,在电压较低时,负半周产生的放电模式为负电晕放电.对于针-水电极这种两电极曲率半径相差特别大的电极结构,当曲率半径小的那一个电极为阴极时,就会在这一极产生负电晕放电.这种放电的发展较为缓慢,所以一直到应用电压峰-峰值为16.96k V 之前,负半周的电流峰值相比较正半周都很小.随着应用电压增加,电晕放电向阳极发展,放电通道与阳极光致电离产生的放电相接通,累积在电极两端的电荷迅速释放,转变成弧光放电.2.2 发射光谱等离子体中的高能电子会与氧气分子O 2和水分子H 2O 碰撞,产生大量激发态的自由基和原子等活性物种,可以通过发射光谱技术探测到.图3图3 气液放电等离子体的发射光谱图F i g .3 T h e o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r a o f g a s -l i q u i dd i s c h a r ge p l a s m a 021大连理工大学学报第59卷为气液放电氧等离子体的发射光谱图,波长范围从200~900n m.放电产生的发射光谱主要由羟基自由基O H (A 2ΣңX 2Π)的谱带(最大强度在309n m )㊁氧原子O (3p 5Pң3s 5S ,777n m )的谱线㊁氢原子的α线系(656n m )和β线系(486n m )组成.在这些活性物种中,羟基自由基O H 和氧原子O 属于活性氧基团,能破坏细胞壁,具有杀菌消毒的作用[1].实验中测量了不同应用电压时的发射光谱,并计算了活性物种的发射光谱强度.图4是在不同应用电压下,O H 和O 的发射光谱强度.随着应用电压的增加,O 的发射光谱强度先减小后增大,但是变化的范围大.与氧原子O 不同,O H 自由基的发射光谱强度则先逐渐增大,在应用电压大于18k V 后保持在同一水平.气液放电等离子体中的O H 主要产生在气相和液相的交界处,反应方程式为[14]e -+H 2OңH+O H+e -(1)e -+H 2OңH -+O H(2)O+H 2Oң2O H(3)O H 自由基主要由电子和氧原子O 与水分子H 2O 的碰撞产生,这些反应的反应速率与等离子体的气体温度成正比.图4 不同应用电压下的羟基自由基O H (A -X )(302~328n m )和氧原子O (777n m )的发射光谱强度F i g .4 O pt i c a l e m i s s i o n i n t e n s i t i e so fO H (A -X )(302-328n m )a n d O (777n m )a s af u n c t i o no f a p p l i e dv o l t a ge 2.3 等离子体温度大气压非平衡等离子体的转动能级间隔较小,易与平动能级达到平衡,等离子体的转动温度T r 可近似认为与气体温度T g 相等[15].利用L i f b a s e 软件,根据自由基O H (A -X )的发射光谱线形可以模拟出等离子体的转动温度[16-17].但是对于气液放电等离子体,放电产生的O H (A )态的转动能级分布与形成过程有关,它的转动温度并不是一个热力学温度,不满足玻尔兹曼分布,不能用来计算气体温度[18].为了得到正确的等离子体温度,在工作气体中通入10%的氮气N 2,以获得N 2(C 3Πu ңB 3Πg ,Δν=1,2,3)的发射光谱[19-21].模拟N 2(C 3Πu ңB 3Πg ,Δν=1,2,3)的转动温度近似等于等离子体的气体温度,需要满足两个假设[21]:N 2(B 1Σ+g )+e ңN 2(C 3Πu )+e (4)τr t =1/Z r t (1010300p/T )(5)首先,氮分子N 2(C 3Πu )态由N 2(B 1Σ+g )态直接碰撞激发.转动能级和平动能级的平衡弛豫时间τr t 与氮分子N 2(B 1Σ+g )有关,其中,Z r t 是氮分子N 2(B 1Σ+g )态的有效碰撞次数;p 为压强,101325P a ;T 为热力学温度,K.利用S pe c a i r 软件可以模拟计算等离子体的转动温度T r 和振动温度T v .图5是N 2(C 3Πu ңB 3Πg ,Δν=2)跃迁光谱的模拟线形与实验线形的对比图,应用电压为15.84k V.图6是通过这种方法得到的振动温度和转动温度随着应用电压的变化趋势.随着应用电压的增加,振动温度的变化不明显.转动温度随着应用电压的增加而增加,从800K 增加到2000K ,在放电模式转变时增加的程度更大.图5 N 2(C 3Πu ңB 3Πg ,Δν=2)发射光谱的模拟谱带和实验谱带的对比F i g .5 T h e c o m pa r i s o nb e t w e e n t h e m e a s u r e d a n d s i m u l a t e de m i s s i o n s p ec t r ab a nd s o fN 2(C 3Πu ңB 3Πg ,Δν=2)在同一放电模式内,电场的增强使得粒子热运动的剧烈程度增加,温度升高.应用电压增加导致的放电模式转变使得等离子体的放电区域和带电粒子数目增加,带电粒子数目增加和热运动剧烈程度增加这两个原因导致等离子体的温度进一步增加.O H (A -X )的发射光谱强度变化趋势与等离子体气体温度的变化趋势一致,都随着电压增121 第2期冯静等:大气压氧气中稳定形态气液放电等离子体特性研究加和放电模式的转变增加,直到放电转变为弧光放电后保持稳定.图6 不同应用电压下振动温度和转动温度的变化趋势F i g .6 T h e v i b r a t i o n a l a n dr o t a t i o n a l t e m pe r a t u r e s v a r y i n g a s af u n c t i o no f a p p l i e dv o l t a ge 3 结 语本文通过在放电回路中加入电容控制单次放电的电荷数目,得到了稳定可控的交流气液放电氧等离子体.通过增加应用电压的方式可以得到不同模式的放电,对其电学特性和光学特性进行了诊断测量.通过放电照片和电压电流波形图可以分析放电的模式转变类型和变化过程.由于电极的不对称性,放电的模式转变在正负半周也不对称.正半周的放电模式转变过程为从流光放电到辉光放电最后变成弧光放电,负半周则是从电晕放电转变到弧光放电.利用发射光谱法对放电产生的活性物种进行了测量,气液放电氧等离子体中含有丰富的羟基自由基O H ㊁氧原子O 和氢原子H ,其中O H 在应用电压为18k V 时达到了极值.利用S p e c a i r 软件对N 2(C 3Πu ңB 3Πg ,Δν=2)的发射光谱进行了模拟,得到了等离子体的振动温度和气体温度.随着应用电压的增加和放电模式的转变,带电粒子的数目增加,粒子运动的剧烈程度增加,等离子体的气体温度从800K 增加到2000K.参考文献:[1]Y A N GD e z h e n g,J I A L i ,WA N G W e n c h u n ,e t a l .A t m o s p h e r i c p r e s s u r e g a s -l i qu i dd i f f u s en a n o s e c o n d p u l s e d i s c h a r g eu s e d f o r s t e r i l i z a t i o n i n s e w a ge [J ].P l a s m aP r o c e s s e sa n dP o l y m e r s ,2014,11(9):842-849.[2]G O D B .A t m o s p h e r i c -pr e s s u r ei o n i z a t i o n :N e w a p p r o a c h e sa n da p pl i c a t i o n sf o r p l a s m a si nc o n t a c t w i t hl i q u i d s [J ].J o u r n a lo f P h ys i c s :C o n f e r e n c e S e r i e s ,2015,646(1):012052.[3]WA N G S e n ,Y A N G D e z h e n g,WA N G W e n c h u n ,e t a l .A n a t m o s p h e r i c a i r g a s -l i q u i d d i f f u s e d i s c h a r g ee x c i t e d b y b i po l a r n a n o s e c o n d p u l s ei n qu a r t zc o n t a i n e ru s e df o r w a t e rs t e r i l i z a t i o n [J ].A p p l i e dP h ys i c sL e t t e r s ,2013,103(26):264108.[4]S OMM E R SBS ,F O S T E RJE .P l a s m af o r m a t i o ni n u n d e r w a t e r g a s b u b b l e s [J ].P l a s m a S o u r c e sS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2014,23(1):015020.[5]Z HA N G H a o ,Z HU F e n gs e n ,T U X i n ,e ta l .C h a r a c t e r i s t i c s o f a t m o s p h e r i c p r e s s u r e r o t a t i n gg l i d i n g a r c p l a s m a s [J ].P l a s m a S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2016,18(5):473-477.[6]B E N S T A A L IB ,B O U B E R T P ,C H E R O N B G ,e t a l .D e n s i t y a n d r o t a t i o n a l t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t so ft h e O H d e g r e e sa n d N O d e gr e e s r a d i c a l s p r o d u c e db y a g l i d i n g a r c i nh u m i da i r [J ].P l a s m a C h e m i s t r y a n d P l a s m a P r o c e s s i n g,2002,22(4):553-571.[7]K A V K A T ,MA ŠL ÁN I A ,H R A B O V S K M ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y of t h e e f f e c t o f ga s n a t u r e o n p l a s m aa r cc u t t i n g ofm i l ds t e e l [J ].J o u r n a l o f P h y s i c sD :A p p l i e dP h ys i c s ,2013,46(22):224011.[8]S I N G H M K ,O G I N O A ,N A G A T S U M.I n a c t i v a t i o n f a c t o r so fs p o r e -f o r m i n g b a c t e r i au s i n gl o w -p r e s s u r em i c r o w a v e p l a s m a si na n N 2a n d O 2g a s m i x t u r e [J ].N e w J o u r n a lo fP h ys i c s ,2009,11(11):115027.[9]K O N G M G ,K R O E S E N G ,MO R F I L L G ,e t a l .P l a s m am e d i c i n e :a n i n t r o d u c t o r y re v i e w [J ].N e w J o u r n a l o fP h y s i c s ,2009,11(11):115012.[10]L U K E SP ,D O L E Z A L O V AE ,S I S R O V AI ,e t a l .A q u e o u s -p h a s e c h e m i s t r y an d b a c t e r i c i d a l e f f e c t s f r o ma na i r d i s c h a r g e p l a s m a i n c o n t a c tw i t hw a t e r :e v i d e n c e f o r t h e f o r m a t i o n o f p e r o x y n i t r i t e t h r o u g h a p s e u d o -s e c o n d -o r d e r p o s t -d i s c h a r g e r e a c t i o n o f H 2O 2a n d HN O 2[J ].P l a s m aS o u r c e sS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,2014,23(1):051019.[11]B R U G G E MA N PJ ,K U S HN E R M J ,L O C K E BR ,e t a l .P l a s m a -l i qu i di n t e r a c t i o n s :ar e v i e w a n d r o a d m a p[J ].P l a s m a S o u r c e s S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2016,25(5):053002.[12]WA N G W e i w e i ,L I U F e n g,WA N G X u e ,e ta l .O pt i c a l a n de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f a i rd i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e s i nm o d e t r a n s i t i o na t a t m o s p h e r i c pr e s s u r e [J ].P l a s m a S o u r c e s S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2015,24(2):025001.221大连理工大学学报第59卷[13]S H IJJ ,K O N G M G.M o d et r a n s i t i o ni nr a d i o -f r e q u e n c y a t m o s p h e r i ca r g o n d i s c h a r g e s w i t h a n d w i t h o u t d i e l e c t r i c b a r r i e r s [J ].A p p l i e d P h ys i c s L e t t e r s ,2007,90(10):101502.[14]R O E S E L O V A M ,V I E C E L I J ,D A N GLX ,e t a l .H y d r o x ylr a d i c a la tt h e a i r -w a t e ri n t e r f a c e [J ].J o u r n a lo ft h e A m e r i c a n C h e m i c a lS o c i e t y ,2004,126(50):16308-16309.[15]L U O S i qi ,D E N N I N G C M ,S C HA R E R J E .L a s e r -r f c r e a t i o n a n d d i a g n o s t i c s o f s e e d e d a t m o s p h e r i c p r e s s u r e a i r a n dn i t r o g e n p l a s m a s [J ].J o u r n a l o fA p p l i e dP h y s i c s ,2008,104(1):013301.[16]L U Q U EJ ,K R A U S M ,WO K A U N A ,e t a l .G a st e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti n C H 4/C O 2d i e l e c t r i c -b a r r i e rd i s c h a r ge s b yo pt i c a l e m i s s i o ns p e c t r o s c o p y [J ].J o u r n a l o f A p p l i e dP h ys i c s ,2003,93(8):4432-4438.[17]D E I Z A R R A C .U V O H s pe c t r u m u s e d a s a m o l e c u l a r p y r o m e t e r [J ].J o u r n a lof P h ys i c s D :A p p l i e dP h ys i c s ,2000,33(14):1697-1704.[18]B R U G G E MA N P ,S C H R AM D C ,K O N G M G ,e t a l .I s t h e r o t a t i o n a l t e m p e r a t u r e o fO H (A -X )f o r d i s c h a rg e si n a n di n c o n t a c t w i t hl i q u i d sa g o o d d i a g n o s t i c f o r d e t e r m i n i n g th e g a s t e m p e r a t u r e ?[J ].P l a s m aP r o c e s s e sa n dP o l ym e r s ,2009,6(11):751-762.[19]L A U XCO ,S P E N C ETG ,K R U G E RC H ,e t a l .O p t i c a l d i a g n o s t i c s o f a t m o s ph e r i c p r e s s u r e a i r pl a s m a s [J ].P l a s m a S o u r c e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2003,12(3):125-138.[20]MA C HA L A Z ,J A N D A M ,H E N S E L K ,e ta l .E m i s s i o n s p e c t r o s c o p y o f a t m o s ph e r i c p r e s s u r e pl a s m a s f o r b i o -m e d i c a l a n d e n v i r o n m e n t a la p p l i c a t i o n s [J ].J o u r n a l o fM o l e c u l a r S p e c t r o s c o p y ,2007,243(2):194-201.[21]E V A N S M DG ,S A I N C TFP ,A R I S T I Z A B A LF ,e ta l .D e v e l o pm e n to fa n a n o s e c o n d p u l s e d HV a t m o s p h e r i c p r e s s u r e p l a s m a s o u r c e :p r e l i m i n a r ya s s e s s m e n t o f i t s e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d d e g r e e o ft h e r m a ln o n e q u i l ib r i u m [J ].J o u r n a lo fP h ys i c s D :A p p l i e dP h ys i c s ,2015,48(25):255203.S t u d y o f c h a r a c t e r i s t i c s f o r s t a b l e g a s -l i q u i dd i s c h a r ge p l a s m a i no x y g e na t a t m o s ph e r i c p r e s s u r e F E N G J i n g , Y A N G D e z h e n g *, Z H A N G L i , W A N G S e n ,Y U A N H a o , Z H A O Z i l u , Z H O U X i o n g f e n g, W A N G W e n c h u n (K e y L a b o r a t o r y o fM a t e r i a l sM o d i f i c a t i o nb y L a s e r ,I o na n dE l e c t r o nB e a m s ,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,D a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,D a l i a n 116024,C h i n a )A b s t r a c t :As u i t a b l e c a p a c i t o rw a s e m p l o y e d i n t h ed i s c h a r g e c i r c u i t t o q u a n t i f y t h e c h a r gen u m b e r a n d g e n e r a t eas t a b l ed i f f u s i o n o x y g e n p l a s m a .D y n a m i ce v o l u t i o n o fe l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f v o l t a g e a n d c u r r e n tw a v e s a n dd i s c h a r g e i m a g e sw e r em e a s u r e d t o i n v e s t i g a t e t h e d i s c h a r gem o d e s a n d t h e i r t r a n s i t i o n s w h e nt h ed i s c h a r g e p a r a m e t e ro fa p p l i e d v o l t a g e w a sc h a n ge d .T h e p l a s m a g a s t e m p e r a t u r e ,v i b r a t i o n a l t e m p e r a t u r ea n de m i s s i o n i n t e n s i t y of e x c i t e da c t i v es p e c i e sw e r ec a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d b y o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r a .I t i s f o u n d t h a t a n o b v i o u s t r a n s i t i o n f r o ms t r e a m e rm o d e t og l o w m o d e a n dth e nt oa r cm o d ei nas i n g l ev o l t a g e p o s i t i v eh a l f c y c l ea n da n o t h e rm o d e t r a n s i t i o n f r o mc o r o n a m o d et oa r c m o d ei nn e g a t i v eh a l fc y c l ea r e g e n e r a t e d w i t ht h ei n c r e a s i n g o fa p p l i e d v o l t a g e .T h e c a p a c i t o r a d d e d i nd i s c h a r g e c i r c u i t c a n r e g u l a t e t h e r e l e a s i n g q u a n t i t y of e l e c t r o n i no n c e d i s c h a rg et oi m p r o v eth edi s c h a r g es t a b i l i t y .F u r t h e r m o r e ,c o r r e s p o n d i n g w i t ht h et r a n s i t i o n so f d i s c h a r g em o d e s ,t h e p l a s m a g a s t e m pe r a t u r e i n c r e a s e sf i r s t a n d t h e n r e m a i n s s t a b l e .K e y wo r d s :g a s -l i q u i dd i s c h a r g e ;o x y g e n p l a s m a ;c a p a c i t o r ;m o d e t r a n s i t i o n ;t e m p e r a t u r e 321 第2期冯静等:大气压氧气中稳定形态气液放电等离子体特性研究。

用于材料表面处理的大气压等离子体射流技术研究进展刘轩东,任 蔷,何红庄,孙 昊(西安交通大学电气工程学院,西安710049)摘 要:大气压等离子体射流阵列可以在开放的空间中灵活㊁高效地产生低温等离子体,被认为是实现等离子体射流技术大面积应用最有效的手段之一㊂研究表明,大气压等离子体射流阵列在材料表面改性和薄膜沉积等方面具有广阔的应用前景㊂但由于阵列各个单元之间复杂的相互作用,导致等离子体阵列存在着各基本单元放电不一致和下游作用面不均匀等问题,会严重影响材料表面处理的效率㊂本文综述了近年来大气压等离子体射流阵列的研究进展及其应用,主要包括大气压等离子体射流阵列的电极结构及放电特性,并详细介绍了在改善大气压等离子体射流阵列放电一致性和下游作用面均匀性方面的最新研究成果㊂关键词:等离子体射流;大气压;阵列;材料表面处理;电极结构中图分类号:T N 136 文献标志码:A D O I :10.12061/j.i s s n .20956223.2020.040401P r o g r e s s i n A t m o s p h e r i c -P r e s s u r e P l a s m a J e t A r r a yT e c h n o l o g y fo r M a t e r i a l S u r f a c e T r e a t m e n t L I U X u a n -d o n g R E N Q i a n g H E H o n g -z h u a n gS U N H a o S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t yX i a n 710049 C h i n a收稿日期:20200615;修回日期:20200908基金项目:强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室专项经费资助项目(S K L I P R 1907)作者简介:刘轩东(1981- ),男,四川巴中人,副教授,博士,主要从事高功率脉冲源㊁气体放电及等离子体技术研究㊂E -m a i l :l i u x u a n d @x jt u .e d u .c n A b s t r a c t I t i s c o n s i d e r e d t h a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e p l a s m a j e t a r r a y c a n g e n e r a t e l o w t e m pe r a t u r e p l a s m af l e x i b l y a n d e f f i c i e n t l y i n o p e n s p a c e I t i s o n e o f t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d s f o r a c h i e v i ng l a r ge s c a l e a p p l i c a t i o n s of p l a s m a j e t t e c h n o l og y Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a t m o s ph e r i c p r e s s u r e p l a s m a j e t a r r a y h a s a w i d e a p p l i c a t i o n s p r o s p e c t i n s u r f a c e m o d i f i c a t i o n a n d t h i n f i l m d e po s i t i o n H o w e v e r d u e t o t h e c o m p l e x i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e e l e m e n t s o f t h e a r r a y t h e p l a s m a a r r a y h a s t h e pr o b l e m s o f i n c o n s i s t e n t d i s c h a r g e o f t h e j e t s a n d u n e v e n n e s s o f t h e d o w n s t r e a m s u r f a c e w h i c h g r e a t l ya f f e c t t h e e f f i c i e n c y o f m a t e r i a l s u r f a c e t r e a t m e n t I n t h i s p a p e r t h e r e s e a r c h p r o g r e s s a n d a p pl i c a t i o n s t a t u s o f a t m o s p h e r i c p r e s s u r e p l a s m a j e t a r r a y a r e r e v i e w e d i n c l u d i n g e l e c t r o d e s t r u c t u r e a n d d i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c s T h e l a t e s t r e s e a r c h r e s u l t s o n i m p r o v i n g t h e d i s c h a r g e i n c o n s i s t e n c y of a t m o s p h e r i c p r e s s u r e p l a s m a j e t a r r a y a n d u n i f o r m i t y of d o w n s t r e a m s u r f a c e a r e i n t r o d u c e d K e yw o r d s p l a s m a j e t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e a r r a y m a t e r i a l s u r f a c e t r e a t m e n t e l e c t r o d e s t r u c t u r e 1-104040第11卷第4期2020年12月现代应用物理MO D E R N A P P L I E D P H Y S I C SV o l .11,N o .4D e c .2020大气压等离子射流技术是近20年来的一个研究热点,其原理是使介质阻挡放电产生的等离子体在电场和外加气场的共同作用下从产生区域喷出,在外界大气压下朝着指定的方向行进,从而形成等离子体射流[1]㊂该技术具有温度低㊁化学活性高㊁可控性好㊁表面处理操作简单㊁成本低廉㊁无废弃物及无污染等显著优点,特别是用于一些温度敏感材料(如生物材料)及形状复杂工件的表面处理时,已显示出独特的应用优势㊂随着对大气压等离子体射流技术的深入研究,该技术在材料表面处理及聚合物薄膜沉积等方面正发挥着越来越重要的作用,应用范围越来越广[28]㊂然而,目前大气压等离子体射流源的直接作用面积通常小于1c m 2,还不能满足大面积材料表面处理的需求[7]㊂为提高射流技术处理材料表面的效率,研究人员提出了等离子体射流阵列的设想,即由若干间距极近的射流单元组成射流阵列,以增加等离子体射流的作用面积㊂近几年来,等离子体射流阵列研究主要集中在扩大等离子体射流阵列的作用面积和增强下游作用面的均匀性等方面㊂本文介绍了大气压等离子体射流阵列的典型结构㊁羽流特性和电气特性,讨论了等离子体射流阵列在材料表面处理方面的应用现状和发展趋势,分析了未来需要关注和解决的焦点问题㊂1大气压等离子体射流阵列的结构大气压等离子体射流阵列是将多个基本射流单元按照1维或2维结构进行排列[2],阵列基本单元的结构与单个射流装置的结构类似㊂单电极结构主要包括针电极和环电极,针电极结构又分为实心针电极结构和空心针电极结构,后者也称为毛细管结构[5]㊂图1为针电极射流单元的2种典型结构示意图㊂图1针电极射流单元的2种典型结构示意图F i g .1D i a g r a m o f t w o t y pi c a l s t r u c t u r e s o f t h e n e e d l e e l e c t r o d e p l a s m a je t 双电极结构主要有针环电极㊁环环电极㊁针板电极㊁环板电极和微腔结构电极等[4]㊂已有大量研究资料表明,与单电极结构相比,双电极结构放电更加稳定,且高压电极为针电极时放电最为稳定[5]㊂大气压等离子体射流阵列按照排列方式可分为1维阵列和2维阵列㊂1维阵列的结构一般是采取多个基本射流单元沿一个方向水平排列㊂C a o 等用铜箔作为高压电极包裹介电管,在激励电源频率为30k H z 和气体流量为4L ㊃m i n -1下产生了稳定的大气压1维射流阵列[9]㊂随后,C h e n 等设计了4管1维阵列,每个基本单元采用铜丝作为高压电级,氯化钾溶液作为地电极直接与介电层接触,产生了更加均匀的等离子体射流[10]㊂K i m 等采用针板电极结构,用频率为50k H z 的双极性脉冲电源激励阵列放电,产生了16管1维射流阵列[11],如图2所示㊂针对针电极产生羽流的特点,K i m 将每个射流单元的管口设计为锥形,以减少外界因素对射流的干扰㊂图216管1维射流阵列结构[11]F i g .2A 16-c h a n n e l 1D a r r a ys t r u c t u r e [11]L i 等用直流电源作为阵列的激励电源[12],使用3根直径为1mm 的钨棒作为高压电极,将其放在距离水面一定距离的线上,用自来水作为液体地电极,在下游区域产生了十分均匀的等离子体㊂方志等采用5个基本单元并联的1维阵列结构,在交流激励电源频率分别为22k H z 和20k H z 时通入纯氩气或一定比例的氩气与六甲基二硅醚(HM D S O )的混合气体,均产生了放电稳定的射流阵列[13]㊂通常,1维阵列用作等离子幕 ,对下游样品的处理需要通过阵列或样品扫描才能实现㊂为进一步增加阵列的作用面积,研究人员设计了2维阵列,并根据实际需要提供不同的2维排列方案㊂牛俊博最早尝试研究2维大气压等离子体射流阵列[7],在20世纪90年代末实现了60H z 下的3ˑ3大气压等离子体阵列㊂但该阵列具有较高的气体温度,并不适合于低温等离子体应用㊂随后,在2002年,H u b i c k a 等使用千赫级的高频交流电源实现了3ˑ3大气压热等离子体射流阵列[14]㊂C a o 等设计了7管蜂窝状等离子体阵列[15],该阵列的基本单元采用环板电极,2-104040第11卷现 代 应 用 物 理以纯氦为气体介质在10k H z 交流激励电压下产生了相对稳定的射流阵列㊂此后,研究人员主要通过增加等离子体基本单元的数量来增大等离子体阵列的作用面积,有的阵列多达45个单元㊂H u 等分别使用不同形式的高压脉冲电源激励3管2维阵列放电[16],并测试了该阵列的电气特性㊂方志等使用高频交流激励电源先后在氩气和氦气中实现了7管蜂窝状射流阵列[17],该阵列的基本单元均采用环板结构,通过改变气体流速和射流单元之间的间距,成功实现了阵列的一致性㊂为优化2维阵列的放电特性,很多学者提出了改善阵列结构的设计方案㊂K i m 等提出通过增加外管的数量将更多的带电粒子引入中心等离子体羽流的设计方案[18],其设计的2种类蜂巢状阵列结构如图3所示㊂图3左侧结构由7个内径为1m m ㊁外径为2m m 的石英管围绕一个内径为2m m ㊁外径为3m m 的石英管组成2维蜂窝状阵列;图3右侧结构中,用空心光纤制作的14个内径为200μm ㊁外径为700μm 的射流单元围绕一个内径为1m m ㊁外径为2m m 的中心射流单元㊂所有射流单元均采用环板电极结构㊂研究表明,随着外管数量的增加,等离子发射强度增大㊂与单管等离子体射流装置相比,阵列受频率的影响更大㊂但是,该方案只在射流单元间距极小时有效㊂图32种类蜂巢式2维射流阵列结构[18]F i g .3T w o k i n d s o f h o n e y c o m b 2D j e t a r r a y st r u c t u r e [18]W u 等用10.5k H z 的交流激励电源实现了单孔直径为3.4μm 的蜂窝状大气压等离子体微孔阵列[19],如图4所示㊂图4微孔阵列结构[19]F i g .4M i c r o p l a s m a a r r a ys t r u c t u r e [19]此阵列采用氩气作为工作气体,在峰值电压为30k V 时,羽流的长度可达2c m ㊂通过氩谱线的斯塔克效应估计,该微孔阵列的电子密度高达8.0ˑ1016c m -3,比普通等离子体阵列的电子密度至少高1个量级㊂但此阵列相应的激励电压较高,在气体温度较低时会出现阵列严重不平衡现象㊂O c o n n o r㊁聂秋月等先后提出了融合型等离子体阵列结构㊂O c o n n o r 等提出的新型等离子体射流阵列[20],如图5所示㊂O c o n n o r 等在4个内径为2mm ㊁外径为4mm 的聚四氟乙烯(P T F E )管上安装单环高压电极,并将其排列成方形㊂各个管中心轴线间的距离为1c m ,将它们安装在一个内径为2c m ㊁外径为3c m ㊁长为13c m 的聚碳酸酯管的首端㊂将氦气作为工作气体,分别通过4个P T E E 管的首端通入,并利用聚碳酸酯管促进等离子体的融合㊂在每个高压电极上串联了限流电阻,以加强阵列放电的一致性㊂此阵列在直径为2c m 的空间内成功生成了均匀的低温等离子体羽流㊂但该阵列不能用来处理金属材料,在金属材料表面羽流会由面变为点㊂图5含有4个基本单元的融合阵列结构[20]F i g .5F u s e d a r r a y st r u c t u r e w i t h f o u r b a s i c u n i t s [20]L i 等采用空心针电极作为各放电基本单元的高压电极[21],并使5根高压电极紧密排列为蜂窝状,使用一个内径为7.5mm ㊁外径为10.2mm 的石英管将5根高压电极包裹起来,并在距离石英管口5mm 的地方放置接地铜环形成改进的针环阵列结构㊂采用氦气作为工作气体,并采取内㊁外路气流分别控制的方法,使得各放电单元的气体流场彼此弥合,在下游形成了强度适中的均匀等离子体作用面,其结构示意图如图6所示㊂3-104040刘轩东等:用于材料表面处理的大气压等离子体射流技术研究进展第4期(a )G e n e r a t o r (b )E l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a l (c )M e t a l l i c s u r f a c e (d )D i e l e c t r i c (e )3D s u r f a c es t r u c t u r e d i s t r i b u t i o n(gr o u n d e d )s u r f a c e(m e t a l)图6中心为蜂窝状电极的融合阵列结构[21]F i g .6F u s e d a r r a y s t r u c t u r e w i t h a h o n e yc o m b e l e c t r ode a t t h e c e n t e r [21] 图6阵列的优点是放电强度大,在处理导电材料时性能较佳,处理效果更加均匀,而且更适合处理表面形状变化大的不规则物体㊂融合阵列的基本原理是在2维阵列的外围增加气体屏蔽装置减少外界环境对射流的影响,通过精确控制气体流量促进等离子体羽流的融合㊂此类阵列有望解决等离子体阵列在处理材料表面时出现的一系列问题,是目前研究的热点㊂2大气压等离子体射流阵列的基本特性射流阵列中的每个射流单元都会受到其他单元的电场和气流场的相互作用,这严重影响射流阵列的单元一致性和下游均匀性[2223]㊂C a o 等认为阵列中各个单元间的相互作用可导致等离子体羽流之间的发散或会聚㊂图7为2维大气压等离子体射流阵列的发光图像[15]㊂图72维大气压等离子体射流阵列的发光图像[15]F i g .7O p t i c a l i m a g e o f a 2D a t m o s ph e r i c p r e s s u r e p l a s m a j e t a r r a y[15]研究各个单元之间的相互作用,并在此基础上通过改变外界条件或阵列结构,增强阵列各个单元之间放电的一致性和等离子体下游工作区的均匀性,是目前大气压等离子体射流阵列研究中关注的重点㊂G h a s e m i 等通过快速拍摄技术观察频率为19k H z 的交流电源激励下的4管1维阵列[24],发现每个射流单元电流脉冲峰值出现的时间并不相同,且每个单元射流发展的速度会循环变化㊂G h a s e m i 等认为这是射流尖端在形成和起始阶段的库仑力相互作用的结果㊂B a b a e v a 等分别针对脉冲电源激励下的单㊁双及3管大气压等离子体1维阵列的放电特性开展了2维数值模拟[25],用公式推算了不同管间距下流场㊁电子碰撞电离项及电子密度等关键参数的演变及分布情况,认为射流单元之间存在着静电㊁流体动力和光电离的相互作用㊂当空气扩散到羽流中时,流体动力学中的相互作用可以促进各个单元的通道合并㊂随着射流单元之间的间距缩小,气流场开始合并,单元间距足够小的射流阵列,可以合并成单个等离子体羽流㊂阵列基本单元之间的相互作用受气体流速的影响较大,通过改变激励电源参数,如采用正极性放电,可以改变放电过程,为实现下游等离子体融合提供可能途径㊂K i m 等制作的1维射流阵列在脉冲电源驱动下出现了边缘管的羽流发散现象,这是由于不同单元产生的等离子体子弹间存在着静电排斥作用,图8给出了15管1维射流阵列的发光图像[11]㊂K i m 等通过I C C D 相机观察发现,由于不同单元的间距较大,等离子体子弹通过各自的气体通道传播而不会合并;在外加电压峰值大于5.5k V 时,射流的发展由子弹模式变为连续模式㊂此外,K i m 等还研究了脉冲电源激励下的阵列电特性随一系列因素的变化,所得结果均与高频交流电源激励下的结果类似㊂图815管1维射流阵列的发光图像[11]F i g .8O p t i c a l i m a g e o f a 15-c h a n n e l 1D j e t a r r a y[11]为提高阵列各个单元的放电一致性和下游作用面的均匀性,国内外学者主要从增加限流器件㊁改善阵列的外部条件(激励电源参数㊁气体流量等)和优化阵列结构3方面开展了研究㊂4-104040第11卷现 代 应 用 物 理由于缺乏限流装置,最早的大气压等离子体射流阵列存在着各个单元放电不一致的问题㊂大量研究表明,限流装置可以确保所有射流单元在处理3维物体时同时运作,对稳定1000k P a 以内的等离子体射流阵列至关重要㊂G h a s e m i 等通过在电路中串联限流电阻器大大提高了阵列的一致性[24],但串联电阻器会降低效率,G h a s e m i 等又提出了使用电容器替代电阻器的方案㊂图9是激励电源频率为19k H z 下的4管1维阵列在分别添加不同量值的电阻器和电容器时的电流峰值㊂由图9可见,与添加电阻器相比,添加电容器时整个回路拥有更高的放电电流峰值,且在实验中未观察到电容器会对阵列一致性产生影响㊂图9不同量值限流电阻和电容下的放电电流峰值[24]F i g .9M e a n p e a k c u r r e n t u n d e r v a r i o u s l i m i t i n gr e s i s t a n c e s a n d c a pa c i t a n c e s [24]G h a s e m i 等认为气体流速是影响阵列一致性的关键因素之一㊂图10为不同气体流速下的1维阵列发光图像[24]㊂由图10可见,在气体流速较低时,羽流之间存在着强烈的发散现象㊂(a )7L ㊃m i n -1 (b )5L ㊃m i n -1 (c )3L ㊃m i n-1图10不同气体流速下的1维阵列发光图像[24]F i g .10O p t i c a l i m a g e s o f a 1D a r r a y un d e r v a r i o u s ga s f l o w r a t e s [24]此外,激励电源的各项参数对大气压等离子体射流阵列的放电特性也有至关重要的影响㊂C a o 等认为,2维阵列各个单元的放电一致性对激励电源的频率十分敏感[15]㊂图11为不同频率下的7管2维等离子体阵列发光图像㊂由图11可见,当交流激励电流频率为5~10k H z 时,各个单元的发射强度比较一致,但在10k H z 以上,各个单元的发射强度一致性变差㊂激励频率分别为5,8,10,20,30k H z 时,不同单元的光发射强度极差分别为12.7%,12.0%,13.6%,31.3%,37.7%㊂C a o 等分析认为,不同的激励频率下,阵列的杂散电容不同,且外部电路中的等效阻抗也不同㊂在相对较低的激励频率下,表面电荷将有更多的时间在阵列的几何结构上重新分布,有助于提高射流阵列的一致性㊂2维阵列的最佳激励频率约为10k H z ㊂此外,C a o 等实现了反应化学空间影响范围高达48.6mm 2的等离子体射流阵列[15]㊂图11不同频率下的7管2维等离子体阵列发光图像[15]F i g .11O p t i c a l i m a g e s o f a 7-c h a n n e l 2D p l a s m a je t a r r a y a t v a r i o u s e x c i t a t i o nf r e qu e n c i e s [15]H u 等分别用射频脉冲及直流正脉冲功率源激励2维射流阵列放电,获得了平行羽流束和发散羽流束[16]㊂该研究结果证实了激励电源类型对等离子射流阵列放电特性具有较大影响㊂W a n g 等使用5管1维阵列验证了等离子体阵列的放电特性可以通过控制激励电源参数和气体流速进行调节[26]㊂研究表明,阵列的活性粒子浓度㊁放电电流密度及气体流速之间满足准线性规则,通过同时优化气体流速和电源参数,可以在相关区域获得具有适当气体温度和更好一致性的等离子体羽流㊂张波等使用纳秒脉冲源激励3管1维等离子体射流阵列放电,并研究了电压幅值㊁上升时间和重复频率对阵列一致性的影响[27]㊂结果表明,阵列中等离子体羽流的长度随激励电压的增加呈现先增加后饱和的趋势;上升时间是影响电子能量㊁离子能量和化学活性的重要参数,减小上升时间可以提升放电电流㊁放电能量和传输电荷;脉冲重复频率是影响射流阵列一致性的主要因素,增大重复频率可以提高羽流的长度和发光强度,但高重复频率脉冲激励下的射流阵列会出现中间管被抑制的现象,对于1维阵列,最佳重复频率为5k H z㊂最近,Q a i s r a n i 等搭建了基本单元为针电极结构的3管1维阵列[28],并使用直流脉冲电源供电,通过S c h l i e r e n 摄影技术研究了电源频率㊁电压和气5-104040刘轩东等:用于材料表面处理的大气压等离子体射流技术研究进展第4期体流速等参数对等离子体射流阵列气流场的影响㊂结果表明,电源频率和气体流速对阵列的气流场均有显著影响,这2个因素是引起气流从层流到湍流早期过渡的主要原因,其中,频率的影响更加明显㊂等离子体羽流尖端产生的波状羽流及发散现象会造成阵列不稳定㊂Z h o u 等对比了高频交流电源和纳秒脉冲电压激励下的3管1维等离子体阵列的放电特性[29]㊂结果表明,纳秒脉冲电源激励下的阵列更不易发散,羽流长度更长且效率更高,更适合进行材料的表面处理㊂在工作气体中混入其他气体是增加阵列各单元一致性的常用手段之一㊂Z h a n g 等通过精确调控氧气掺杂含量进一步提高了阵列的一致性[30]㊂方志等向3管1维阵列中通入氩气和六甲基二硅醚(HM D S O )的混合气体,研究了混合气体对阵列一致性的影响[13]㊂结果表明,HM D S O 气体的加入可有效抑制1维阵列相邻通道之间的排斥作用㊂众多研究表明,单纯改变外界因素无法彻底解决阵列一致性和均匀性问题,因此,学者们提出了改善传统阵列结构的新方法㊂为减少等离子体阵列各基本单元之间的相互影响,使各单元可以在很大程度上任意排列,提高阵列的应用价值,L i 等设计了一种新型阵列结构,如图12所示[31]㊂该结构包含1个高压管电极和1个由聚丙烯制成的瓶子㊂将高压电极嵌入瓶子中,并将高纯氦气送入瓶中㊂在瓶子下方开有直径为1m m 的孔,孔的个数和位置可以根据实际应用情况改变㊂在交流激励电源频率为20k H z ㊁电压峰值为8.5k V 时,各个孔中出现了强度一致的等离子体羽流㊂但该结构中2个孔之间的距离不能小于2.5m m ,否则临近羽流将彼此影响㊂图12一种新型的大气压等离子体阵列结构[31]F i g .12A n o v e l a t m o s ph e r i c p r e s s u r e p l a s m a j e t a r r a ys t r u c t u r e [31]W a n g 等认为,等离子体射流阵列各个单元之间放电不一致的根本原因是阵列电场分布不均匀[3233]㊂W a n g 等对基本单元为针环结构的3管1维阵列的研究表明,中间射流单元的电场强度显著低于侧边射流单元的电场强度,通过调整中间针电极和侧边针电极的相对位置,分别在工作气体为氦气和氩气时实现了阵列的放电一致性㊂但是,大气压等离子体射流阵列即使在各放电单元一致性良好㊁且阵列覆盖面积较大的理想工作条件下处理材料表面时,各个单元的羽流依然呈斑点状作用在材料上,难以均匀覆盖整个待处理表面区域㊂针对该问题,L i 等用直流电源作为列阵的激励电源,使用自来水作液体地电极,将3根直径为1mm 的钨棒作为高压电极放在距离水面一定距离的线上[12]㊂研究发现,在高压电极与水电极的间距足够大时,各电极之间的放电通道将从相互排斥转变为融合放电,解决了阵列放电的离散问题,图13为该装置在不同放电间隙下的放电图像㊂(a )6mm (b )11mm (c )17mm (d )20mm图13不同放电间隙下的放电图像[12]F i g .13D i s c h a r g e i m a g e s u n d e r d i f f e r e n t g a p wi d t h s [12]本文2节中介绍的2种新型融合阵列结构是为解决射流阵列喷射出的等离子体无法在下游工作区融合的问题而研制的[2021]㊂O C o n n o r 等提出的阵列原理是先利用外围气体屏蔽装置减少外界对羽流发展的影响,再进一步利用外围套管内表面上电荷的沉积和去除,使内表面变为电子源,促进射流向屏蔽管轴线方向传播[20]㊂针对外加气体屏蔽装置这种技术手段,L i 等对比了5管蜂窝状阵列在有无气体屏蔽装置下的放电情况[21]㊂实验证明,在大气压等离子体阵列外围添加合适体积的气体屏蔽装置,可以有效促进等离子体羽流融合,防止湍流发生㊂3大气压等离子体射流阵列的应用大气压等离子体射流阵列主要用于材料表面处理和薄膜沉积2个方面㊂目前,材料表面处理方面的应用研究主要集中在改善绝缘材料表面的憎水性㊂K i m 等利用2维蜂窝状等离子体射流阵列对表面附有Z n O 纳米层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(P E T )材料表面进行改6-104040第11卷现 代 应 用 物 理性,可使该材料的水接触角在30s内从111.23ʎ持续降低至8.70ʎ[34]㊂C h e n等用基本单元为针环结构的4管1维射流阵列作用于蚕丝蛋白薄膜(S F F),可使该薄膜表面的水接触角从71ʎ下降到16ʎ[10]㊂F a n g等使用基本单元为针环电极结构的5管1维阵列处理商用环氧树脂材料[35],在工作气体氩气中混入四甲基硅烷(TM S),研究了T M S体积分数对材料水接触角的影响㊂结果表明,处理后的环氧树脂材料的水接触角随着T M S体积分数的增加而增大,在T M S体积分数为0.04%㊁处理时间为300s时,可达到最佳处理效果,环氧树脂材料的水接触角从46ʎ增加至95ʎ㊂随后,L i u等利用7管蜂窝状阵列处理聚甲基丙烯酸甲酯(P MMA),工作气体仍采用氩气和T M S的混合气体[36]㊂结果表明,在T M S体积分数为0.04%时可达到最佳处理效果,处理时间为240s时,P MMA的水接触角从65ʎ增加到最大值115ʎ㊂通过分析材料能谱,L i u等认为,P MMA材料表面憎水性的改善归因于生成的S i-O-S i薄膜㊂C u i等设计了3管1维阵列,并利用氩气和T M S的混合气体改善玻璃的憎水性[37]㊂结果表明,T M S体积分数为0.04%时可达到最佳处理效果,在处理时间为240s时,玻璃的水接触角增加到最大值110.3ʎ㊂Z h a n g等使用基本单元为针环电极结构的3管1维阵列,以高纯氦气作为工作气体,对不同污染程度的高温硫化硅橡胶(H T V)样品进行了表面处理[38]㊂结果表明,样品的表面憎水性均得到改善㊂但随着样片受污程度的增加,若要达到相同的处理效果,则需要更长的处理时间㊂分析认为,低温等离子体对H T V样品的改性是通过羽流中的活性粒子与H T V材料表面的低分子量硅烷链(L MW)分子碰撞,使分子能量增加,分子更容易穿透污染层,留在受污染材料的表面,且活性粒子在切断长硅胶链时会产生更多的L MW,使L MW 更容易迁移到材料表面㊂等离子体阵列处理加速了L MW在材料表面上的积累,从而使被污染的H T V 的憎水性得到改善㊂薄膜沉积方面的应用研究是近年来的热点,目前的研究成果主要集中于单个等离子体装置的应用[3941],阵列应用的相关文献较少㊂马翊洋等采用氩气和正硅酸乙酯(T E O S)的混合气体作为工作气体,使用4管1维阵列以0.5mm㊃s-1的速度Z字形反复扫描处理环氧树脂表面进行薄膜沉积[42]㊂结果表明,对于40mmˑ40mm的样品,单次扫描沉积时间为10m i n;阵列扫描处理能对材料表面的电荷陷阱起到适当浅化的作用,同时可减少孔洞与凸起,从而抑制材料表面电场的畸变,提高材料的闪络电压㊂4讨论大气压等离子体射流阵列的各个单元间存在着电场和气场的相互作用,其放电特性受激励电源类型与参数㊁气体流速及阵列结构等因素影响㊂即使在各放电单元一致性较为良好的理想工作条件下处理材料表面时,等离子体羽流之间仍然相互排斥,呈斑点状作用在材料表面上㊂因此,提高大气压等离子体射流阵列的一致性与均匀性,产生面积较大且等离子体分布较为均匀的工作面,对推动大气压等离子体射流阵列在相关领域的实际应用具有重要意义㊂目前,大气压等离子体射流阵列放电特性上的主要问题为:1)为了扩大射流阵列的作用面积,传统的1维和2维阵列结构中每个基本单元之间均存在较大的间隙,且各个射流单元之间存在管壁,阻碍羽流之间的融合;2)各个射流单元之间存在着静电排斥㊁光电离及气场作用等多种复杂的相互作用,使得各个羽流很难融合;3)强耦合模式下的2维阵列的作用面积不大[43]㊂针对这些问题,可以通过优化等离子体射流阵列结构,并进行有针对性的参数调控,得到最优参数匹配,从而实现对阵列一致性和下游作用面均匀性的改善,具体措施为:1)通过在电路中添加合适量值的限流电阻器或电容器;2)通过调控气流场,改变等离子体阵列的羽流形态;3)通过混入其他气体抑制羽流之间的相互排斥;4)通过调控激励电源类型及其各项电气参数,从而改变阵列的放电状态,实现有针对性的最优参数匹配;5)通过优化射流阵列结构,如改善电极结构或加入气体屏蔽装置等,可以改善射流阵列的电场分布及射流的发展过程,从根本上实现单元放电的一致性及阵列的均匀性㊂目前,针对单个大气压等离子体射流装置的应用研究已经非常广泛,但对阵列的应用研究还不够7-104040刘轩东等:用于材料表面处理的大气压等离子体射流技术研究进展第4期。

大气压等离子体方法我折腾了好久大气压等离子体方法，总算找到点门道。

说实话，刚开始接触大气压等离子体的时候，我完全是一头雾水。

我就知道这是个很高大上的东西，但是具体怎么操作，完全不明白。

我一开始也是瞎摸索，各种找资料，网上的、图书馆的书里的，只要是和等离子体有关的，我都拿来研究。

我最早尝试按照一些很简单的实验装置搭建去做。

那时候我以为只要把那些仪器按照图上的连接起来就好了，就像搭积木一样嘛。

我找来了电源，还有处理气体的装置，就开始组装。

可是呢，一开电源就出问题了，完全没有产生我想要的大气压等离子体。

我当时真是沮丧极了，也不知道问题出在哪。

后来我就一直研究那个电路图，经过很久才发现原来是我在连接电极的时候犯了个超级低级的错误。

就像你本来要把水管接好让水流过去，结果你有一根水管根本就没接上，那水肯定流不过去啊。

这电极没接对，等离子体当然产生不了啊。

后来我就谨慎多了。

在做下一次尝试的时候，我把每一个连接的部分都检查好多遍。

我还看了好多其他人做的实验记录，发现气体流量和通入的气体种类都很关键。

我先用氩气试，这就好比先找个熟悉的路走走看。

调整气体流量的时候，就像是在小心翼翼地拧水龙头，一点一点地试，到底多大的流量最合适。

不过这时候新的问题又出现了，就算有等离子体产生了，它的稳定性却不好。

我当时就很苦恼，这又要怎么解决呢？我突然想到我在研究资料的时候看到过，可以加个磁场来稳定等离子体。

于是我又开始捣鼓加磁场的装置。

这个可费劲了，因为磁场的强度大小和方向都要调整到合适的程度，而且磁场发生器和之前的装置要配合得很好。

我就像个在黑暗里摸索的人，只能一点点地调整，每调一次就看看等离子体的稳定性有没有变好。

经过这么长时间的折腾，我有几点心得。

首先，每一个小的部分都不能马虎，像连接、气体流量这些基础的部分必须做到准确和稳定。

其次，多参考别人的经验和实验确实很有帮助，有时候可以让你少走很多弯路。

再有，遇到问题不要慌，就一点点排查。

大气压氦气等离子体的产生及对pvc的处理实验报告大气压下放电产生非平衡等离子体在材料表面处理,生物医学,
电子材料制备等方面获得了广泛的应用,文献是其中一些近年来在国际上发表的相关的综述性文章.大气压非平衡等离子体射流或通常文献中所称大气压等离子体射流可以直接射入大气中,对各种材料的表面,特别是非平面的表面,进行局部处理.由于这种高性的射流几乎处于环境温度,其在温度敏感材如生物材料)表面处理方面的能力被寄
了很高的期望最早的APPJ装置采用同轴电极结构,射频功率加在中
心轴电极上,外套电极接地,工作气体在电极之间的环形间隙流过形
成等离子体从喷口射出.有两种此类装置,一种直接采用金属电极,另一种则在外套电极内加了一层介质材料石英管),形成类似于DBD的。

结构等在2005年发表了一种共轴双圆简DBD结构的APPJ.有趣的是他们首次用高速CCD拍摄到的图像显示,与用肉眼看到的呈细长圆锥形的辉光不同,这种用DBD放成的,这些等离子体从毛细管口射出。

这是一个非常有趣的物理现象，目前已有许多实验室都对这种等离子体射流用高速CCD进行了观察和研究但是对于这种等离子体子
弹的成因,目前还没有得到一种令人信服的解释.本文采用一种带有
狭缝的光电倍增管PMT)装置对上述的DBD等离子体射流进行了观察,并辅以数码成像以及电学测量等手段对其进行了仔细的实验研究,在实验结果的基础上对这种等离子体射流形成的机理给出了定性的解释。

一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究_江南在大气物理学中，等离子体是指由正负电荷粒子组成的气体，具有自由电子和离子的高度电离状态。

等离子体在自然界和科学实验中具有重要的应用，射流等离子体是其中一种重要的实验研究对象。

本文将介绍一种基于大气压的氦等离子体射流的实验研究方法。

氦等离子体射流是一种在大气压下产生的等离子体束流。

与传统的低温等离子体相比，氦等离子体射流具有高密度、低温等特点，被广泛应用于等离子体加速器、等离子体推进器等领域。

为了研究氦等离子体射流的性质和应用方法，可以通过以下步骤进行实验研究。

首先，实验需要准备一个射流设备。

该设备由氦气供应系统、高频电源、射流排管、探测器等组成。

氦气供应系统用于提供高纯度的氦气，高频电源用于产生高频电场以激发等离子体，射流排管用于将等离子体射流引导到所需位置，探测器用于测量等离子体射流的性质和参数。

接下来，通过氦气供应系统将氦气注入射流排管，并通过高频电源产生高频电场。

高频电场作用下，氦气中的电子受到加速并与其他氦原子碰撞，从而激发了电荷交换过程。

这个过程会产生大量的离子和自由电子，形成等离子体。

随后，通过探测器对等离子体射流进行测量。

可以使用电离室、质谱仪和光谱仪等仪器对射流的电离状态、成分和温度等进行测量。

这些数据可以帮助研究人员了解射流的性质并优化实验过程。

在实验研究中，还可以通过改变射流排管的形状和尺寸、调整高频电场的频率和幅值等方式对射流进行控制。

这些控制参数的变化会影响射流的密度、速度和动力学特性等。

此外，为了更精确地研究氦等离子体射流的特性，还可以使用数值模拟方法对射流进行模拟和分析。

数值模拟可以提供射流的详细动力学信息，帮助研究人员理解射流的行为规律和优化实验参数。

在实验研究中，需要注意安全问题。

射流设备中产生的等离子体具有较高的电离性和活性，可能对人体和实验设备造成损害。

因此，在进行实验前，需要对实验过程进行充分的风险评估，并采取必要的防护措施，如穿戴防护服、使用防护设备等。

物理实验技术中的等离子体物理研究方法与技巧分享在物理实验研究中，等离子体物理是一个非常重要的领域。

等离子体是由离子和电子组成的带电粒子体系，广泛存在于自然界和人工环境中。

它既具有粒子性，也具有波动性，因此在物理研究中有着广泛的应用。

本文将分享一些等离子体物理研究中的方法和技巧。

一、等离子体制备技术在等离子体物理研究中，合适的等离子体制备技术是非常重要的。

常用的等离子体制备技术包括电子轰击、电弧放电、射频放电等。

1. 电子轰击：利用电子束轰击气体，将气体分子或原子激发到高能级，从而形成等离子体。

电子轰击可通过大气压电离或是低压放电获得。

在实验中，通过调节电子束的能量和电流，可以控制等离子体的密度和温度。

2. 电弧放电：利用高电压电弧放电使材料发生电离和激发，形成等离子体。

电弧放电通常用于高温等离子体制备，常见的电弧放电器包括电弧炉、电弧喷涂装置等。

3. 射频放电：射频放电是一种通过射频场激发等离子体的方法，通过调节射频场的频率和功率，可以控制等离子体的特性。

射频放电广泛应用于等离子体刻蚀、等离子体聚变等领域。

二、等离子体诊断技术等离子体诊断技术是等离子体物理研究中至关重要的一环。

通过合适的诊断技术，可以获得等离子体的密度、温度、速度等重要物理参数。

1. 光谱诊断：光谱诊断是一种非常常用的等离子体诊断方法。

通过测量等离子体辐射出的光谱，可以得到等离子体的密度、温度、电子浓度等信息。

在等离子体物理研究中，常用的光谱诊断方法包括可见光、紫外光和X射线光谱等，可以通过光谱诊断技术获得等离子体的很多信息。

2. 探针诊断：探针诊断是一种直接接触等离子体的方法，通过探测等离子体与金属电极之间的电流和电压，可以得到等离子体的参数信息。

常用的探针方法包括电阻探针、电容探针、霍尔探针等。

三、等离子体激发技术在等离子体物理研究中，激发等离子体是非常重要的一步。

通过合适的激发技术，可以使等离子体处于特定的激发态，研究其性质和行为。

大气压等离子体
什么是大气压等离子体（AP-DP）？它是一种既可以在特定压力下，产生有机离子，又可以把离子转化为原子的电离体系统。

大气压等离子体技术可以以低温和大气压创建出一个高离子浓度的环境，在这种环境中，大气压的离子可以被选择性和精确的造出有机阴离子，这些有机阴离子可以用来治疗疾病，也可以应用于制药、化工和精确分析等生物和非生物领域中，对于农业部门来说，也可以用来改善农业抗虫剂水平，减少药物残留及提高作物产量。

大气压等离子体是由一个载体气体和一种可燃烧物质（推力剂）构成的，它以脉冲形式在一定压力状态下，通过发电机将推力剂燃烧激发而产生的电离体系统，电离的热能转化为操作所需的能源。

当电离体系统操作到一定压力状态时，大气压等离子体就会发生，载气中的原子和离子被电离而产生了高离子浓度的环境，这种环境可以创造出任何形式的有机阴离子，从而可以被选择性和精确的制造出有机阴离子。

大气压等离子体在科学研究上具有许多优点，它可以在高压状态下，迅速有效地将原子、离子和粒子转换成可操纵的有机阴离子，大大提高了研究的效率，使研究的深度有了显著的提升，在大气压等离子体系统中，可以观察到非常小的粒子，可以实现精确的连续变量计算，可以获得高精度的结果。

大气压等离子体的应用也十分广泛，它不仅可以用于治疗疾病，还可以用于制药、化工和精确分析等生物和非生物领域，它是一项革
命性的技术，有望在未来起到举足轻重的作用。

以上就是关于大气压等离子体，其物理性质及应用的研究，希望这篇文章对你有所帮助。

大气压等离子体技术的发展，可以为社会带来诸多好处，但仍有很多问题需要进一步深入研究，比如各种变量的改变，能否改变离子的性质；另外，大气压等离子体的应用范围还有待扩大，提供更多用途，更好地适应社会需求。

大气压低温等离子体技术及应用《大气压低温等离子体技术及应用》想象一下这样一个场景：我和我的朋友小李去一家新开的餐厅吃饭。

餐厅的装修十分现代，充满了各种高科技元素。

我们坐在靠窗的位置，服务员递上菜单，上面有一道特别的菜品，标注着是采用了一种神秘的新型烹饪技术制作而成。

这可勾起了我们的好奇心。

我就忍不住问服务员：“这神秘的烹饪技术到底是什么呀？”服务员带着一丝得意的微笑说：“这可是利用了大气压低温等离子体技术呢。

”我和小李对视一眼，都露出了疑惑的表情。

大气压低温等离子体？这听起来就像是从科幻电影里跑出来的概念。

服务员看到我们的表情，笑着解释起来。

原来，大气压低温等离子体技术就像是一群微小的能量精灵在工作。

在正常的大气压下，通过特殊的装置，气体可以被激发变成等离子体状态。

这种等离子体的温度不像我们想象中的那种高温等离子体那么炽热，而是比较低的温度，就像温柔的小火苗，既能发挥独特的作用，又不会把东西烧焦。

小李打趣地说：“那这玩意儿在烹饪里能干嘛？总不能是让食物也变得科幻起来吧？”服务员笑着说：“嘿，还真有这效果呢。

这种等离子体可以对食物表面进行杀菌消毒，就像给食物穿上了一层隐形的保护罩。

而且啊，它还能改变食物表面的一些特性，让调味料更好地渗透进去，就好比给食物的毛孔都打开了一样。

”其实啊，大气压低温等离子体技术的应用可不仅仅在烹饪这一个方面。

就像一个多才多艺的小能手，在医疗领域也大放异彩。

我有个亲戚在医院工作，他就给我讲过这方面的事情。

医生们利用这种技术来处理伤口，那些等离子体就像一群勤劳的小护士，能够杀灭伤口周围的细菌，促进伤口愈合。

而且对于一些难以用传统药物治疗的皮肤病，它也能发挥神奇的功效。

比如说，把等离子体作用在病变的皮肤上，就像给生病的皮肤来了一场温和的洗礼，慢慢地让皮肤恢复健康。

在工业上，大气压低温等离子体技术也像是一个隐藏的高手。

在材料表面处理方面，它就像一个神奇的化妆师。

比如说对金属材料，它可以提高金属表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

大气压微波等离子体装置的研制
大气压微波等离子体装置是一套利用微波电场,通过特殊结构设计的波导传输耦合微波能量,在常压条件下产生等离子体的装置。

目前,工业产生等离子体的技术有很多,包括热致电离、气体放电、放射性同位素、激光照射、高功率微波激励等方法。

微波放电技术相对于其它气体放电产生等离子体的技术有诸多优势,例如能量转化效率高,电离度高,无电极污染,在大气压条件下产生,无需特殊的真空设备,同时保证了产品处理过程的连续性。

基于以上特点,大气压微波等离子体技术越来越受到科研机构以及市场的青睐,具有良好的工业价值和商业前景。

但是,现有微波等离子体发生装置在波导结构、微波电源、能量耦合效率以及微波电场变化规律等方面尚需进一步研究和优化。

本课题旨在设计一套完整高效、符合安全标准的大气压微波等离子体发生装置,探究微波电场分布规律;在得到稳定等离子体射流的基础上,进一步通过实验探究影响微波等离子体射流效果的实验因素;本课题将进行微波等离子体射流处理细菌,从而获得活性诱变细菌的初步探究。

本文通过研究等离子体产生机理,设计一套适用于大气压激发等离子体的微波装置。

此套装置有五大系统组成:电源系统、微波传输系统、喷嘴系统、调谐控制系统、...。

一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究_江南近年来，大气压放电在等离子体物理、光谱学、离子化学及生物医学等领域得到了广泛的应用和研究。

其中，大气压放电氦等离子体射流是一种非常有活力的研究方向。

大气压放电氦等离子体射流是通过施加高压电场使氦气发生放电，并产生等离子体射流。

该等离子体射流具有高速度、高温度、高浓度等优点，适用于多种化学、物理和生物学实验。

大气压放电氦等离子体射流实验涉及多个步骤。

首先，需要准备放电装置，包括气体供给系统、电源系统和等离子体射流探测系统等。

这些装置需要精确地控制氦气的流量、气体的纯度和电压的大小，以确保实验的稳定性和可靠性。

然后，将氦气注入放电室，调节气压和气体流量，使氦气达到放电状态。

接下来，施加高压电场，产生等离子体射流。

通过调节电压大小和电场强度，可以控制等离子体射流的速度和温度。

最后，使用等离子体射流探测系统，对射流进行观察和分析。

大气压放电氦等离子体射流实验的研究内容很丰富。

在物理学方面，可以研究等离子体射流的基本性质、运动特性和相互作用。

通过利用高速相机、谱仪和光电离探测器等先进仪器，可以观察到等离子体射流的形态、能量分布和光谱特性。

同时，可以研究等离子体射流与外部物质的相互作用，如与固体物质的碰撞、表面反应等。

这些研究对于深入理解等离子体物理和离子化学过程具有重要意义。

在化学和材料科学方面，大气压放电氦等离子体射流可以用于高温等离子体反应的研究。

等离子体射流具有高温度和高能量的特点，可以使其在气相和固相反应中发挥重要作用。

通过改变等离子体射流的参数，如温度、浓度和速度，可以调控和优化等离子体反应的过程和产物。

此外，等离子体射流还可以用于材料表面的处理和改性，如表面清洁、涂层制备和纳米材料合成等。

生物医学方面，大气压放电氦等离子体射流的应用潜力也非常巨大。

等离子体射流具有杀菌、促进伤口愈合和癌细胞治疗的效果。

通过调节等离子体射流的参数，可以选择性地杀死细菌、病毒和癌细胞，而对健康细胞的伤害较小。

等离子体技术在材料制备中的应用研究随着科学技术的不断发展，等离子体技术也逐渐成为了材料制备领域中的重要工具。

本文将着重从等离子体技术的定义、优势和应用三个方面，来谈论等离子体技术在材料制备中的应用研究。

一、等离子体技术的定义等离子体技术是一种将气体电离形成等离子体，在高速运动的等离子体中产生应力和能量，来改变材料物理、化学性质的技术。

等离子体技术的优点在于其作用范围广泛，可以用于改变任意表面的性质，从而拓宽了材料制备的选择范围，使得更多的材料能够满足工业和生活的需求。

二、等离子体技术的优势等离子体技术相较于传统材料制备方法，具有很多的优势。

1、等离子体技术可以使材料表面光洁度更高，提高了材料的光反射和透明度，在应用于光学设备和电子器件时具有很大的优势。

2、等离子体技术可以增加材料表面的粘附性和润湿性，使其更容易与其他材料结合。

这种特性在制造复合材料时非常有用。

3、等离子体技术可以使材料表面的化学性质得到改善，例如使其对水、油等液体的接触角发生变化，从而实现对水、油的控制。

4、等离子体技术可以通过在材料表面形成纳米结构来增加其特定性质，例如表面等离子体共振、表面增强拉曼光谱等。

这种特性在生物医学、光催化等领域中具有很大的应用前景。

5、等离子体技术可以在材料表面形成功能性材料涂层，如防腐蚀、抗菌等，更利于材料的应用。

三、等离子体技术在材料制备中的应用研究等离子体技术在材料制备中的应用研究具有很广泛的前景。

以下是一些具体的应用研究。

1、在传感器领域中的应用研究。

研究人员利用等离子体在纳米尺度上的作用，开发了一种基于表面等离子体共振技术的传感器，用于检测水和乙醇中的甲醛含量。

其灵敏度和精度比传统的传感器方法更高，具有很好的应用前景。

2、在新型电子器件中的应用研究。

研究人员利用等离子体技术，将纳米纤维质材料以特定形式形成，并用于制造半导体材料。

这种新型材料在电子器件中具有很好的应用前景。

3、在涂层技术中的应用研究。

使用大气压等离子体实验装置的基本技巧作为一种重要的实验技术，等离子体在许多领域如材料科学、能源、环境等中都有广泛应用。

而使用大气压等离子体实验装置作为实验平台，可以更方便地进行研究和探索。

本文将介绍使用大气压等离子实验装置的基本技巧，以帮助读者更好地进行相关实验研究。

1.实验装置的搭建在进行大气压等离子体实验之前，首先需要搭建好实验装置。

一般而言，该装置由等离子体激发源、等离子体反应区、控制系统等部分组成。

其中，等离子体激发源可以选择不同的离子源，如空气等离子体或其他气体等离子体源。

而等离子体反应区需要提供一个容纳等离子体的空间，并能够进行相应的测量和分析。

2.电源和气体选择在进行大气压等离子体实验时，正确选择电源和气体对实验结果起着关键作用。

首先，对于电源的选择，应该根据实验需要选择合适的功率。

较低的功率适合进行稳态的等离子体实验，而高功率则适合进行激发态等离子体实验。

其次，对于气体的选择，可以根据实验目的和样品的性质选择合适的气体。

常用的气体有氮气、氧气等，不同的气体组合可以对等离子体的性质和反应产物有着不同的影响。

3.实验参数的控制和调节在大气压等离子体实验中，实验参数的控制和调节是非常重要的。

主要包括气体流量、电流、频率等参数。

首先，气体流量的控制对于等离子体生成的稳定性和反应的效果有着重要影响。

在实验中，可以通过调节进气量和出气口来控制气体流量。

其次，电流和频率的选择需要根据实验需要进行调节，控制好放电过程的稳定性和强度，同时也要避免过高的电流对实验装置的损坏。

4.放电过程的观察和分析在进行大气压等离子体实验时，放电过程的观察和分析是评价实验结果的重要手段。

可以通过高速摄影、光谱分析、质谱分析等方法来观察放电的形态和产物的生成。

同时，对等离子体反应区的温度、压力等参数进行监测和记录，以便于后续的数据分析和结果评价。

总之，使用大气压等离子体实验装置需要掌握一些基本的技巧和注意事项。

通过正确搭建实验装置，选择适当的电源和气体，控制和调节实验参数，并对放电过程进行观察和分析，可以帮助研究人员更好地开展相关实验研究。

大气压等离子体射流功能改性硅树脂的工艺研究任根来;王鹰;王东;高丽红;马壮;田新春【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷),期】2024(43)1【摘要】[目的]采用大气压等离子体射流(APPJ)技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面产生结构色的方法和机制鲜有报道。

[方法]通过对处在拉伸状态的PDMS进行1 min的氩气等离子体处理,然后释放拉应力,获得了具有环形渐变结构色的PDMS。

[结果]扫描电镜(SEM)照片揭示,APPJ处理后的PDMS表面生成了周期排列的纳米褶皱结构,且褶皱周期是逐渐变化的。

X射线光电子能谱(XPS)分析表明,经APPJ处理的PDMS表面发生了进一步交联和氧化,生成了弹性模量比PDMS更高的氧化硅物质层。

可见光吸收和反射光谱分析表明,具有结构色的PDMS对可见光表现出了更低的反射率,而其垂直方向的可见光透过率则无显著改变。

[结论]通过APPJ技术能够简单、快速地对有机硅化合物表面进行改性而获得精细结构色,该工艺方法有望满足显示、传感、防伪、功能材料等领域的实际需求。

【总页数】7页(P80-86)【作者】任根来;王鹰;王东;高丽红;马壮;田新春【作者单位】北京理工大学材料学院;北京理工大学唐山研究院;北京理工大学重庆创新中心【正文语种】中文【中图分类】TQ321.2【相关文献】1.大气压氩等离子体射流对聚丙烯表面改性的影响2.大气压等离子体射流对PLLA 纤维膜表面改性方法的研究3.聚合物薄膜的大气压微等离子体射流无掩膜刻蚀工艺4.磁场增强大气压等离子体射流对镍钴合金泡沫的表面改性5.大气压等离子体射流改性船体钢表面亲水性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

半导体大气压等离子体体积及温度控制技术半导体技术是当今世界最重要的技术之一，它已经成为现代社会的支柱。

而半导体的生产过程中，等离子体处理技术在其中发挥了至关重要的作用。

等离子体处理技术是半导体生产中普遍采用的方法，其中最核心的技术就是等离子体的体积及温度控制。

等离子体处理技术及其应用等离子体处理技术是指将气体中的电子激发到高能态，从而形成电离的气体，即等离子体，以此来加工材料。

这个过程主要是通过加热气体产生等离子体。

等离子体处理技术广泛应用于晶圆清洗、材料加工及表面改变等方面，其中最重要的应用就是半导体加工。

等离子体在半导体制造过程中的应用，主要是用来清洗、刻蚀、沉积和改性等。

由于半导体的加工过程需要非常高的温度和压力，因此高温高压条件下的等离子体处理技术得到了广泛的应用。

等离子体体积控制技术等离子体体积控制技术是对等离子体进行控制和管理的重要技术。

在生产过程中，没有很好地掌握等离子体体积控制技术，往往会导致产品的质量受损，从而影响其使用寿命。

等离子体体积控制技术主要分为两种：一种是静电容耦合(RF)等离子体体积控制技术，另一种是微波等离子体体积控制技术。

RF等离子体体积控制技术是通过外加电场驱动等离子体，从而控制其体积。

而微波等离子体体积控制技术是通过微波激励来操纵等离子体的体积和形状，以实现对等离子体的控制。

等离子体体积控制技术的核心在于能够控制等离子体与物体的接触面积和时间，并保持等离子体中离子和电子的相对密度，并且控制着等离子体的温度，从而使之在半导体材料加工的各个环节都可以得到有效的应用，使结果更为精确可靠。

等离子体温度控制技术等离子体温度控制技术是半导体加工中必须掌握的技术。

等离子体的温度直接影响着半导体加工时的质量和成品率。

尤其是在吸附和表面反应等过程中，温度控制技术的重要性更是显而易见。

等离子体的温度控制技术主要是通过控制等离子体的电子和离子密度来实现的。

在半导体加工中，等离子体温度控制技术一直是课题领域的重点和难点。