低溫等離子體介紹4

介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)

    介質(zhì)阻擋放電(DBD)是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無(wú)聲放電。介質(zhì)阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為10⁴～10⁶。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋,也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。在實(shí)際應(yīng)用中，管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。

介質(zhì)阻擋放電(DBD)常用結(jié)構(gòu)

介質(zhì)阻擋放電通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating current, AC)高壓電源驅(qū)動(dòng)，隨著供給電壓的升高，系統(tǒng)中反應(yīng)氣體的狀態(tài)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段的變化，即會(huì)由絕緣狀態(tài)(insulation)逐漸至擊穿(breakdown)最后發(fā)生放電。當(dāng)供給的電壓比較低時(shí)，雖然有些氣體會(huì)有一些電離和游離擴(kuò)散，但因含量太少電流太小，不足以使反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氣體出現(xiàn)等離子體反應(yīng)，此時(shí)的電流為零。隨著供給電壓的逐漸提高，反應(yīng)區(qū)域中的電子也隨之增加，但未達(dá)到反應(yīng)氣體的擊穿電壓(breakdown voltage; avalanche voltage)時(shí)，兩電極間的電場(chǎng)比較低無(wú)法提供電子足夠的能量使氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞，缺乏非彈性碰撞的結(jié)果導(dǎo)致電子數(shù)不能大量增加，因此，反應(yīng)氣體仍然為絕緣狀態(tài)，無(wú)法產(chǎn)生放電，此時(shí)的電流隨著電極施加的電壓提高而略有增加，但幾乎為零。若繼續(xù)提高供給電壓，當(dāng)兩電極間的電場(chǎng)大到足夠使氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞時(shí)，氣體將因?yàn)殡x子化的非彈性碰撞而大量增加，當(dāng)空間中的電子密度高于一臨界值時(shí)及帕邢(Paschen)擊穿電壓時(shí)，便產(chǎn)生許多微放電絲(microdischarge)導(dǎo)通在兩極之間，同時(shí)系統(tǒng)中可明顯觀察到發(fā)光(luminous)的現(xiàn)象此時(shí)，電流會(huì)隨著施加的電壓提高而迅速增加。
    在介質(zhì)阻擋放電中，當(dāng)擊穿電壓超過(guò)帕邢(Paschen)擊穿電壓時(shí)，大量隨機(jī)分布的微放電就會(huì)出現(xiàn)在間隙中，這種放電的外觀特征遠(yuǎn)看貌似低氣壓下的輝光放電，發(fā)出接近蘭色的光。近看，則由大量呈現(xiàn)細(xì)絲狀的細(xì)微快脈沖放電構(gòu)成。只要電極間的氣隙均勻，則放電是均勻、漫散和穩(wěn)定的。這些微放電是由大量快脈沖電流細(xì)絲組成，而每個(gè)電流細(xì)絲在放電空間和時(shí)間上都是無(wú)規(guī)則分布的，放電通道基本為圓柱狀，其半徑約為0.1~0.3mm，放電持續(xù)時(shí)間極短，約為10~100ns，但電流密度卻可高達(dá)0.1~1kA/cm²，每個(gè)電流細(xì)絲就是一個(gè)微放電，在介質(zhì)表面上擴(kuò)散成表面放電，并呈現(xiàn)為明亮的斑點(diǎn)。這些宏觀特征會(huì)隨著電極間所加的功率、頻率和介質(zhì)的不同而有所改變。如用雙介質(zhì)并施加足夠的功率時(shí)，電暈放電會(huì)表現(xiàn)出“無(wú)絲狀”、均勻的蘭色放電，看上去像輝光放電但卻不是輝光放電。這種宏觀效應(yīng)可通過(guò)透明電極或電極間的氣隙直接在實(shí)驗(yàn)中觀察到。當(dāng)然，不同的氣體環(huán)境其放電的顏色是不同的。
    雖然介質(zhì)阻擋放電已被開發(fā)和廣泛的應(yīng)用，可對(duì)它的理論研究還只是近20年來(lái)的事，而且僅限于對(duì)微放電或?qū)φ麄€(gè)放電過(guò)程某個(gè)局部進(jìn)行較為詳盡的討論，并沒有一種能夠適用于各種情況DBD的理論。其原因在于各種DBD的工作條件大不相同，且放電過(guò)程中既有物理過(guò)程，又有化學(xué)過(guò)程，相互影響，從最終結(jié)果很難斷定中間發(fā)生的具體過(guò)程。
    由于DBD在產(chǎn)生的放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的自由基和準(zhǔn)分子，如OH、O、NO等，它們的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，很容易和其它原子、分子或其它自由基發(fā)生反應(yīng)而形成穩(wěn)定的原子或分子。因而可利用這些自由基的特性來(lái)處理VOCs，在環(huán)保方面也有很重要的價(jià)值。另外，利用DBD可制成準(zhǔn)分子輻射光源，它們能發(fā)射窄帶輻射，其波長(zhǎng)覆蓋紅外、紫外和可見光等光譜區(qū)，且不產(chǎn)生輻射的自吸收，它是一種高效率、高強(qiáng)度的單色光源。在DBD電極結(jié)構(gòu)中，采用管線式的電極結(jié)構(gòu)還可制成臭氧O3發(fā)生器。現(xiàn)在人們已越來(lái)越重視對(duì)DBD的研究與應(yīng)用。

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