技術(shù)資料

低溫等離子體介紹8

大氣壓下輝光放電(APGD)

經(jīng)過近20年的發(fā)展，低氣壓低溫等離子體已取得了很大進展。但由于其運行需抽真空、設(shè)備投資大、操作復(fù)雜、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，限制了它的廣泛應(yīng)用。顯然，最適合于工業(yè)生產(chǎn)的是大氣壓下放電產(chǎn)生的等離子體。大氣壓下的電暈放電和介質(zhì)阻擋放電目前雖然被廣泛地應(yīng)用于各種無機材料、金屬材料和高分子材料的表面處理中，但卻不能對各種化纖紡織品、毛紡織品、纖維和無紡布等材料進行表面處理。低氣壓下的輝光放電雖然可以處理這些材料，但存在成本、處理效率等問題，目前無法規(guī)?；瘧?yīng)用于紡織品的表面處理。長期以來人們一直在努力實現(xiàn)大氣壓下的輝光放電(APGD)。1933年德國Von Engel首次報道了研究結(jié)果，利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實現(xiàn)了輝光放電，但它很容易過渡到電弧，并且必須在低氣壓下點燃，即離不開真空系統(tǒng)。1988年，Kanazawa等人報道了在大氣壓下使用氦氣獲得了穩(wěn)定的APGD的研究成果，并通過實驗總結(jié)出了產(chǎn)生APGD要滿足的三個條件：（1）激勵源頻率需在1kHz以上；（2）需要雙介質(zhì)DBD；（3）必須使用氦氣氣體。此后，日本的Okazaki、法國的Massines和美國的Roth研究小組分別采用DBD的方法，用不同頻率的電源和介質(zhì)，在一些氣體和氣體混合物中宣稱實現(xiàn)了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實現(xiàn)了APGD，并聲稱在幾個毫米的空氣間隙中也實現(xiàn)了APGD, 主要的實驗條件為濕度低于15% 、氣體流速50l/min、頻率為3kHz的電源并且和負載阻抗匹配。他們認為“離子捕獲”是實現(xiàn)APGD的關(guān)鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD，即當所用工作電壓頻率高到半個周期內(nèi)可在極板之間捕獲正離子，又不高到使電子也被捕獲時，將在氣體間隙中留下空間電荷，它們影響下半個周期放電，使所需放電場強明顯降低，有利于產(chǎn)生均勻的APGD。他們在實驗室的一臺氣體放電等離子體實驗裝置中實現(xiàn)了Ar、He和空氣的“APGD”。1993年Okazaki小組利用金屬絲網(wǎng)（絲直徑0.035mm，325目）電極為PET膜（介質(zhì)）、頻率為50Hz的電源，在1.5mm的氣體（氬氣、氮氣、空氣）間隙中做了大量的實驗，并宣稱實現(xiàn)了大氣壓輝光放電。根據(jù)電流脈沖個數(shù)及Lisajous圖形（X軸為外加電壓，Y軸為放電電荷量）的不同，他們提出了區(qū)分輝光放電和絲狀放電的方法，即若每個外加電壓半周期內(nèi)僅1個電流脈沖，并且Lisajous圖形為兩條平行斜線，則為輝光放電。若半周期內(nèi)多個電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。法國的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對APGD的形成機理也進行了比較深入的研究工作。Massines小組對氦氣和氮氣的APGD進行了實驗研究和數(shù)值模擬，除了測量外加電壓和放電電流之外，他們用曝光時間僅10ns的ICCD相機拍攝了時間分辨的放電圖像，用時空分辨的光譜測量記錄了放電等離子體的發(fā)射光譜，并結(jié)合放電過程的一維數(shù)值模擬，他們認為，氮氣中的均勻放電仍屬于湯森放電，而氦氣中均勻放電才是真正意義上的輝光放電，或亞輝光放電。他們還認為，得到大氣壓下均勻放電的關(guān)鍵是在較低電場下緩慢發(fā)展大量的電子雪崩。因此，在放電開始前間隙中必須存在大量的種子電子，而長壽命的亞穩(wěn)態(tài)及其彭寧電離可以提供這些種子電子。根據(jù)10ns暴光的ICCD拍攝的放電圖像，Radu小組發(fā)現(xiàn)，在大氣壓惰性氣體He、Ne、Ar、Krypton的DBD間隙中，可以實現(xiàn)輝光放電。除了輝光放電和絲狀放電之外，還存在介于前兩者之間的第三種放電模式--柱狀放電。
從上個世紀末，國內(nèi)許多單位如科羅納實驗室、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院物理所、河北師范大學(xué)等先后開始了對APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環(huán)保、薄膜材料等技術(shù)里域有著誘人的工業(yè)化應(yīng)用前景，在大氣壓下和空氣中實現(xiàn)輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體一直是國內(nèi)外學(xué)者探尋的研究重點和熱點。2003年，國家自然科學(xué)基金委員會將“大氣壓輝光放電”列為國家重點研究項目。APGD的研究也取得了一些進展，如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實現(xiàn)了APGD，空氣也已經(jīng)實現(xiàn)了用眼睛看上去比較均勻的準“APGD”。目前，對APGD的研究結(jié)果和認識是仁者見仁，智者見智。APGD的研究方興未艾，已經(jīng)受到國內(nèi)外許多大學(xué)和研究機構(gòu)的廣泛重視。由于大氣壓輝光放電目前還沒有一個認可標準，（只要選擇一定的介質(zhì)阻擋裝置、頻率、功率、氣流、濕度等）許多實驗所看到的放電現(xiàn)象和輝光放電很相似即出現(xiàn)視覺特征上呈現(xiàn)均勻的“霧狀”放電，而看不到絲狀放電，但這種放電現(xiàn)象是否屬于輝光放電目前還沒有共識和定論。