空气中均匀介质阻挡放电研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京工业大学自动化学院 作者:解向前

  介质阻挡放电(DBD) 可以在大气压下产生低温等离子体,在工业领域具有广泛的应用前景。相对于低气压均匀DBD 和大气压丝状DBD ,大气压均匀DBD 在节约生产成本、提高生产效率以及优化处理效果等方面都体现着明显的优势。目前,大气压均匀DBD 的工作气体多为惰性气体,这不仅增加了生产成本而且降低了生产效率。近期研究表明,通过改变DBD系统的一些参量,如供电电源、电极结构、阻挡材料等,可以在空气中实现均匀稳定的DBD。目前国内外一些研究小组已经在这些方面取得了可喜的研究成果。本文在讨论DBD 的产生方法、机理以及诊断技术的基础上,分别从电源类型、电极结构以及预电离技术等方面综述了空气中均匀DBD 的研究现状,最后分析了实现空气中均匀DBD 需要解决的问题。

  介质阻挡放电(DBD) 是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式,其工作气压范围很宽,可以在大气压下产生稳定的低温等离子体。在臭氧生成、材料表面改性、杀菌消毒、新型光源、薄膜沉积、电磁波屏蔽、环境保护等工业领域具有广泛的应用前景。大气压下DBD 通常表现为丝状流注放电模式,这种形式的DBD 在放电空间存在大量高能量密度的电流细丝,其不均匀性及能量密度集中限制了其在很多工业领域的应用前景,如材料表面改性、薄膜沉积、杀菌消毒等。

  研究表明,丝状放电并不是DBD 在大气压下的惟一表现形式,在一定条件下,DBD 也可以表现为均匀、稳定的无细丝出现的放电模式,被称为大气压均匀DBD 或大气压辉光放电。1988 年日本的Kanazawa 等报道了一种在大气压惰性气体中产生均匀稳定DBD 的方法,随后这一课题受到世界各国研究者的广泛关注。一些研究者先后在氦气、氩气、氖气、氮气等气体以及这些气体的混合气体中实现了均匀DBD ,并通过电学参数测量、发光图像拍摄和数值模拟等手段研究了它们的特性。然而这些研究主要集中在大气压惰性气体和氮气中,其中惰性气体的价格昂贵,而氮气作为工作气体时,需要密闭的工作环境。因此,最适合大规模工业应用的便是空气中实现的均匀DBD。近年来空气中均匀DBD 的产生及特性研究成为热点,通过改变电极结构、电源类型和阻挡介质,一些研究人员取得了可喜的成果。

  本文是对空气中均匀DBD 研究现状的综述在讨论均匀DBD 的产生方法、机理以及诊断手段基础上,从电源类型、电极结构及预电离技术等方面综述了空气中均匀DBD 的研究现状,最后分析了实现和应用空气中均匀DBD 需要解决的问题。

1、空气中均匀DBD 的产生方法与机理

  大气压下,气体压强p 与气体间距d 的乘积pd值很高,DBD 通常表现为丝状放电形式,可用流注理论来解释。在外部电场的作用下,电子崩发展的速度很快并迅速向阳极移动,空间电荷产生的电场大大畸变了间隙上外加电场的分布,畸变的电场进一步促进电子崩的发展,在放电空间产生大量的光电离和二次电子崩,二次电子崩和主电子崩汇合,在放电空间产生流注放电区。在流注放电阶段,放电空间充满随机分布的暂态流注,流注区域迅速向阴极发展,最终形成贯穿放电空间的高电导率的丝状放电通道,因此在大气压下DBD 通常表现为丝状流注放电形式。由于阻挡介质的存在,空间电荷不是消失于电极而是在介质表面积聚,积聚的电荷产生一个与外加电场相反的电场,随着介质上积聚电荷增加,附加电场的作用也在增强,气隙中总的电场强度就会下降,当气隙内场强下降到小于气体的击穿场强时,放电中断 。因此,阻挡介质的引入,不仅限制了放电电流的自由增长,也阻止了极间火花或弧光的形成,从而可以在气隙中维持稳定的放电。大气压DBD 的放电过程如图1 所示。

大气压DBD 放电过程示意图 

图1  大气压DBD 放电过程示意图

Ea - 外加电场, Esc - 空间电荷场, Edc - 介质表面电荷场

  要想在大气压下产生均匀稳定的DBD ,必须设法降低放电空间的击穿场强,因为汤逊放电和低气压辉光放电等均匀放电都是在低击穿场强下产生的。一些研究者在低击穿场强的惰性气体(如氦气、氩气、氖气等) 以及它们的混合气体中实现了均匀DBD。研究表明,在惰性气体中放电能产生高能级的准稳态粒子,通过潘宁电离在下一次放电开始前和气体分子碰撞产生自由电子,从而产生空间分布均匀的种电子,降低了击穿场强,使电子雪崩不至于发展成为电离通道,阻止放电向流注放电过渡,放电表现为均匀和稳定的形式。

  Massines 等用数值模拟方法研究了氦气中均匀DBD 的产生,并用纳秒量级的高速CCD 拍摄了DBD的发光图像。认为在氦气均匀DBD 中,激励态粒子可以在下一次放电的起始阶段提供更多的种电子,种电子被电场加速后和中性分子发生碰撞,通过潘宁电离形成自持放电,有效降低了击穿场强,从而产生氦气均匀DBD。Trunec 等研究了大气压氖气中均匀DBD 的产生,认为氖气均匀DBD 的放电机理与氦气是相同的。Gherardi 等采用电学测量和发射光谱研究了氮气均匀DBD 的产生,研究表明,放电过程中氮气的激励态粒子由于潘宁效应会和其他中性粒子发生碰撞,在一次放电结束和下一次放电起始阶段产生大量的种电子,正是这些种电子有效降低了放电空间的击穿场强,从而形成氮气均匀DBD。

  然而,在空气中实现均匀DBD 相对较难,这是因为空气是由氧气、氮气和水蒸气等气体组成的混合气体。空气中DBD 电离产生少量的激励态粒子会与电负性的氧气分子发生反应而快速消失。另外,电负性的氧气分子还会吸附自由电子,导致放电空间的自由电子减少,形成流注放电。因此在大气压下惰性气体中产生均匀DBD 的“激励态机理”对于空气不适用,空气中能否产生均匀DBD 以及空气中均匀DBD 的放电机理等问题仍在进一步研究中。Palmer 等提出“多电子崩耦合”理论来解释均匀放电的形成过程,该理论认为种电子密度决定了放电过程中能否产生均匀放电,如果种电子密度足够高,气体击穿后,相邻主电子崩的发展就会互相影响,形成的初始电子崩就会互相耦合,形成径向均匀的电场分布,进而形成均匀的空间电荷分布,最终导致均匀放电的形成。

  Roth 等在实验室建立了一套大气压DBD 等离子体发生装置,并初步实现了空气中均匀DBD。他提出“离子捕获机制”来解释空气中均匀DBD 的产生。该机制认为,如果选择合适的工作电压频率,在此频率范围内间隙中放电产生的离子来不及在外加电压的半周期内全部抵达阻挡介质,则将在气体间隙中留下空间电荷,下一个半周期放电过程将受此空间电荷的影响,使得放电空间的击穿场强明显降低,从而形成均匀放电。Roth 提出产生均匀DBD 的频率范围可用如下公式表示:

  式中Vrms代表一个周期内的有效电压, mi 、me 分别代表离子和电子质量, vci 、vce分别代表离子和电子的速度, e 代表电子电荷量, d 代表气隙距离。近年来一些研究者通过实验得到与“离子捕获机制”不相符的结论。王新新等通过实验发现, 当气隙距离大于5mm 时,无论选择多大的电源频率,得到的只能是丝状放电而非均匀放电。他们还通过理论计算推导出当空气间隙大于5mm 时,如果不设法降低击穿场强,将无法产生空气中均匀DBD 。丁兆军等则通过实验验证了小于5mm 空气间隙下“离子捕获机制”的有效性,结果他们在满足Roth 提出的条件下未能获得空气中均匀DBD。总的来说,离子捕获确定的电源频率本身就受Vrms 、mi 、me 、vci 、vce 、d 等多种因素的影响, 这其中vci 、vce等因素都是微观参量,无法直接测量,一般都是估算得到,因此必然会影响到计算出的产生均匀DBD 的电源频率范围。另外,气体流速、介质厚度、介电常数等一些对DBD放电模式起主要影响的因素在“离子捕获机制”中也并未加以考虑。

  限于篇幅,文章中间的2、3、4章节省略,详细文章请邮件至作者索要。

结束语

  相对于其他形式DBD ,空气中均匀DBD 在生产工艺、可操作性及应用前景等方面都具有明显的优势,是当今DBD 研究领域的热点问题。目前空气中均匀DBD 已经取得了一定的研究进展,但并未见工业化应用的报道。笔者认为,今后空气中均匀DBD的研究应重点关注以下几个问题:

  (1) 加强其放电机理、稳定机制以及微观放电特性等方面的研究;

   (2)尝试在更大的气隙距离下产生均匀的大功率密度的DBD;

  (3) 不断拓展空气中均匀DBD 的应用范围以及与工业生产的结合。

  总之,随着研究的深入和技术的发展,我们有理由相信,空气中均匀DBD 将会在未来工业化应用中发挥举足轻重的作用。

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