技術資料

低溫等離子體介紹4

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

介質阻擋放電(DBD)是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡態氣體放電又稱介質阻擋電暈放電或無聲放電。介質阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內工作，通常的工作氣壓為10⁴～10⁶。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結構的設計形式多種多樣。在兩個放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個或兩個電極用絕緣介質覆蓋,也可以將介質直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質填充其中，當兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿而產生放電，即產生了介質阻擋放電。在實際應用中，管線式的電極結構被廣泛的應用于各種化學反應器中，而平板式電極結構則被廣泛的應用于工業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。

介質阻擋放電(DBD)常用結構

介質阻擋放電通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating current, AC)高壓電源驅動，隨著供給電壓的升高，系統中反應氣體的狀態會經歷三個階段的變化，即會由絕緣狀態(insulation)逐漸至擊穿(breakdown)最后發生放電。當供給的電壓比較低時，雖然有些氣體會有一些電離和游離擴散，但因含量太少電流太小，不足以使反應區內的氣體出現等離子體反應，此時的電流為零。隨著供給電壓的逐漸提高，反應區域中的電子也隨之增加，但未達到反應氣體的擊穿電壓(breakdown voltage; avalanche voltage)時，兩電極間的電場比較低無法提供電子足夠的能量使氣體分子進行非彈性碰撞，缺乏非彈性碰撞的結果導致電子數不能大量增加，因此，反應氣體仍然為絕緣狀態，無法產生放電，此時的電流隨著電極施加的電壓提高而略有增加，但幾乎為零。若繼續提高供給電壓，當兩電極間的電場大到足夠使氣體分子進行非彈性碰撞時，氣體將因為離子化的非彈性碰撞而大量增加，當空間中的電子密度高于一臨界值時及帕邢(Paschen)擊穿電壓時，便產生許多微放電絲(microdischarge)導通在兩極之間，同時系統中可明顯觀察到發光(luminous)的現象此時，電流會隨著施加的電壓提高而迅速增加。
    在介質阻擋放電中，當擊穿電壓超過帕邢(Paschen)擊穿電壓時，大量隨機分布的微放電就會出現在間隙中，這種放電的外觀特征遠看貌似低氣壓下的輝光放電，發出接近蘭色的光。近看，則由大量呈現細絲狀的細微快脈沖放電構成。只要電極間的氣隙均勻，則放電是均勻、漫散和穩定的。這些微放電是由大量快脈沖電流細絲組成，而每個電流細絲在放電空間和時間上都是無規則分布的，放電通道基本為圓柱狀，其半徑約為0.1~0.3mm，放電持續時間極短，約為10~100ns，但電流密度卻可高達0.1~1kA/cm²，每個電流細絲就是一個微放電，在介質表面上擴散成表面放電，并呈現為明亮的斑點。這些宏觀特征會隨著電極間所加的功率、頻率和介質的不同而有所改變。如用雙介質并施加足夠的功率時，電暈放電會表現出“無絲狀”、均勻的蘭色放電，看上去像輝光放電但卻不是輝光放電。這種宏觀效應可通過透明電極或電極間的氣隙直接在實驗中觀察到。當然，不同的氣體環境其放電的顏色是不同的。
    雖然介質阻擋放電已被開發和廣泛的應用，可對它的理論研究還只是近20年來的事，而且僅限于對微放電或對整個放電過程某個局部進行較為詳盡的討論，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，且放電過程中既有物理過程，又有化學過程，相互影響，從最終結果很難斷定中間發生的具體過程。
    由于DBD在產生的放電過程中會產生大量的自由基和準分子，如OH、O、NO等，它們的化學性質非常活躍，很容易和其它原子、分子或其它自由基發生反應而形成穩定的原子或分子。因而可利用這些自由基的特性來處理VOCs，在環保方面也有很重要的價值。另外，利用DBD可制成準分子輻射光源，它們能發射窄帶輻射，其波長覆蓋紅外、紫外和可見光等光譜區，且不產生輻射的自吸收，它是一種高效率、高強度的單色光源。在DBD電極結構中，采用管線式的電極結構還可制成臭氧O3發生器。現在人們已越來越重視對DBD的研究與應用。