空氣中均勻介質阻擋放電研究進展

2010-01-13 解向前南京工業大學自動化學院

　　介質阻擋放電(DBD) 可以在大氣壓下產生低溫等離子體,在工業領域具有廣泛的應用前景。相對于低氣壓均勻DBD 和大氣壓絲狀DBD ,大氣壓均勻DBD 在節約生產成本、提高生產效率以及優化處理效果等方面都體現著明顯的優勢。目前,大氣壓均勻DBD 的工作氣體多為惰性氣體,這不僅增加了生產成本而且降低了生產效率。近期研究表明,通過改變DBD系統的一些參量,如供電電源、電極結構、阻擋材料等,可以在空氣中實現均勻穩定的DBD。目前國內外一些研究小組已經在這些方面取得了可喜的研究成果。本文在討論DBD 的產生方法、機理以及診斷技術的基礎上,分別從電源類型、電極結構以及預電離技術等方面綜述了空氣中均勻DBD 的研究現狀,最后分析了實現空氣中均勻DBD 需要解決的問題。

　　介質阻擋放電(DBD) 是將絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電形式,其工作氣壓范圍很寬,可以在大氣壓下產生穩定的低溫等離子體。在臭氧生成、材料表面改性、殺菌消毒、新型光源、薄膜沉積、電磁波屏蔽、環境保護等工業領域具有廣泛的應用前景。大氣壓下DBD 通常表現為絲狀流注放電模式,這種形式的DBD 在放電空間存在大量高能量密度的電流細絲,其不均勻性及能量密度集中限制了其在很多工業領域的應用前景,如材料表面改性、薄膜沉積、殺菌消毒等。

　　研究表明,絲狀放電并不是DBD 在大氣壓下的惟一表現形式,在一定條件下,DBD 也可以表現為均勻、穩定的無細絲出現的放電模式,被稱為大氣壓均勻DBD 或大氣壓輝光放電。1988 年日本的Kanazawa 等報道了一種在大氣壓惰性氣體中產生均勻穩定DBD 的方法,隨后這一課題受到世界各國研究者的廣泛關注。一些研究者先后在氦氣、氬氣、氖氣、氮氣等氣體以及這些氣體的混合氣體中實現了均勻DBD ,并通過電學參數測量、發光圖像拍攝和數值模擬等手段研究了它們的特性。然而這些研究主要集中在大氣壓惰性氣體和氮氣中,其中惰性氣體的價格昂貴,而氮氣作為工作氣體時,需要密閉的工作環境。因此,最適合大規模工業應用的便是空氣中實現的均勻DBD。近年來空氣中均勻DBD 的產生及特性研究成為熱點,通過改變電極結構、電源類型和阻擋介質,一些研究人員取得了可喜的成果。

　　本文是對空氣中均勻DBD 研究現狀的綜述在討論均勻DBD 的產生方法、機理以及診斷手段基礎上,從電源類型、電極結構及預電離技術等方面綜述了空氣中均勻DBD 的研究現狀,最后分析了實現和應用空氣中均勻DBD 需要解決的問題。

1、空氣中均勻DBD 的產生方法與機理

　　大氣壓下,氣體壓強p 與氣體間距d 的乘積pd值很高,DBD 通常表現為絲狀放電形式,可用流注理論來解釋。在外部電場的作用下,電子崩發展的速度很快并迅速向陽極移動,空間電荷產生的電場大大畸變了間隙上外加電場的分布,畸變的電場進一步促進電子崩的發展,在放電空間產生大量的光電離和二次電子崩,二次電子崩和主電子崩匯合,在放電空間產生流注放電區。在流注放電階段,放電空間充滿隨機分布的暫態流注,流注區域迅速向陰極發展,最終形成貫穿放電空間的高電導率的絲狀放電通道,因此在大氣壓下DBD 通常表現為絲狀流注放電形式。由于阻擋介質的存在,空間電荷不是消失于電極而是在介質表面積聚,積聚的電荷產生一個與外加電場相反的電場,隨著介質上積聚電荷增加,附加電場的作用也在增強,氣隙中總的電場強度就會下降,當氣隙內場強下降到小于氣體的擊穿場強時,放電中斷。因此,阻擋介質的引入,不僅限制了放電電流的自由增長,也阻止了極間火花或弧光的形成,從而可以在氣隙中維持穩定的放電。大氣壓DBD 的放電過程如圖1 所示。

圖1 　大氣壓DBD 放電過程示意圖

Ea - 外加電場, Esc - 空間電荷場, Edc - 介質表面電荷場

　　要想在大氣壓下產生均勻穩定的DBD ,必須設法降低放電空間的擊穿場強,因為湯遜放電和低氣壓輝光放電等均勻放電都是在低擊穿場強下產生的。一些研究者在低擊穿場強的惰性氣體(如氦氣、氬氣、氖氣等) 以及它們的混合氣體中實現了均勻DBD。研究表明,在惰性氣體中放電能產生高能級的準穩態粒子,通過潘寧電離在下一次放電開始前和氣體分子碰撞產生自由電子,從而產生空間分布均勻的種電子,降低了擊穿場強,使電子雪崩不至于發展成為電離通道,阻止放電向流注放電過渡,放電表現為均勻和穩定的形式。

　　Massines 等用數值模擬方法研究了氦氣中均勻DBD 的產生,并用納秒量級的高速CCD 拍攝了DBD的發光圖像。認為在氦氣均勻DBD 中,激勵態粒子可以在下一次放電的起始階段提供更多的種電子,種電子被電場加速后和中性分子發生碰撞,通過潘寧電離形成自持放電,有效降低了擊穿場強,從而產生氦氣均勻DBD。Trunec 等研究了大氣壓氖氣中均勻DBD 的產生,認為氖氣均勻DBD 的放電機理與氦氣是相同的。Gherardi 等采用電學測量和發射光譜研究了氮氣均勻DBD 的產生,研究表明,放電過程中氮氣的激勵態粒子由于潘寧效應會和其他中性粒子發生碰撞,在一次放電結束和下一次放電起始階段產生大量的種電子,正是這些種電子有效降低了放電空間的擊穿場強,從而形成氮氣均勻DBD。

　　然而,在空氣中實現均勻DBD 相對較難,這是因為空氣是由氧氣、氮氣和水蒸氣等氣體組成的混合氣體。空氣中DBD 電離產生少量的激勵態粒子會與電負性的氧氣分子發生反應而快速消失。另外,電負性的氧氣分子還會吸附自由電子,導致放電空間的自由電子減少,形成流注放電。因此在大氣壓下惰性氣體中產生均勻DBD 的“激勵態機理”對于空氣不適用,空氣中能否產生均勻DBD 以及空氣中均勻DBD 的放電機理等問題仍在進一步研究中。Palmer 等提出“多電子崩耦合”理論來解釋均勻放電的形成過程,該理論認為種電子密度決定了放電過程中能否產生均勻放電,如果種電子密度足夠高,氣體擊穿后,相鄰主電子崩的發展就會互相影響,形成的初始電子崩就會互相耦合,形成徑向均勻的電場分布,進而形成均勻的空間電荷分布,最終導致均勻放電的形成。

　　Roth 等在實驗室建立了一套大氣壓DBD 等離子體發生裝置,并初步實現了空氣中均勻DBD。他提出“離子捕獲機制”來解釋空氣中均勻DBD 的產生。該機制認為,如果選擇合適的工作電壓頻率,在此頻率范圍內間隙中放電產生的離子來不及在外加電壓的半周期內全部抵達阻擋介質,則將在氣體間隙中留下空間電荷,下一個半周期放電過程將受此空間電荷的影響,使得放電空間的擊穿場強明顯降低,從而形成均勻放電。Roth 提出產生均勻DBD 的頻率范圍可用如下公式表示:

　　式中Vrms代表一個周期內的有效電壓, mi 、me 分別代表離子和電子質量, vci 、vce分別代表離子和電子的速度, e 代表電子電荷量, d 代表氣隙距離。近年來一些研究者通過實驗得到與“離子捕獲機制”不相符的結論。王新新等通過實驗發現, 當氣隙距離大于5mm 時,無論選擇多大的電源頻率,得到的只能是絲狀放電而非均勻放電。他們還通過理論計算推導出當空氣間隙大于5mm 時,如果不設法降低擊穿場強,將無法產生空氣中均勻DBD 。丁兆軍等則通過實驗驗證了小于5mm 空氣間隙下“離子捕獲機制”的有效性,結果他們在滿足Roth 提出的條件下未能獲得空氣中均勻DBD。總的來說,離子捕獲確定的電源頻率本身就受Vrms 、mi 、me 、vci 、vce 、d 等多種因素的影響, 這其中vci 、vce等因素都是微觀參量,無法直接測量,一般都是估算得到,因此必然會影響到計算出的產生均勻DBD 的電源頻率范圍。另外,氣體流速、介質厚度、介電常數等一些對DBD放電模式起主要影響的因素在“離子捕獲機制”中也并未加以考慮。

　　限于篇幅，文章中間的2、3、4章節省略，詳細文章請郵件至作者索要。