技術資料

低溫等離子體介紹8

大氣壓下輝光放電(APGD)

經過近20年的發展，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、設備投資大、操作復雜、不適于工業化連續生產，限制了它的廣泛應用。顯然，最適合于工業生產的是大氣壓下放電產生的等離子體。大氣壓下的電暈放電和介質阻擋放電目前雖然被廣泛地應用于各種無機材料、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，目前無法規模化應用于紡織品的表面處理。長期以來人們一直在努力實現大氣壓下的輝光放電(APGD)。1933年德國Von Engel首次報道了研究結果，利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實現了輝光放電，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。1988年，Kanazawa等人報道了在大氣壓下使用氦氣獲得了穩定的APGD的研究成果，并通過實驗總結出了產生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，在一些氣體和氣體混合物中宣稱實現了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實現了APGD，并聲稱在幾個毫米的空氣間隙中也實現了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APGD的關鍵。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了Ar、He和空氣的“APGD”。1993年Okazaki小組利用金屬絲網（絲直徑0.035mm，325目）電極為PET膜（介質）、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，并宣稱實現了大氣壓輝光放電。根據電流脈沖個數及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射光譜，并結合放電過程的一維數值模擬，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鍵是在較低電場下緩慢發展大量的電子雪崩。因此，在放電開始前間隙中必須存在大量的種子電子，而長壽命的亞穩態及其彭寧電離可以提供這些種子電子。根據10ns暴光的ICCD拍攝的放電圖像，Radu小組發現，在大氣壓惰性氣體He、Ne、Ar、Krypton的DBD間隙中，可以實現輝光放電。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，國內許多單位如科羅納實驗室、清華大學、大連理工大學、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學、中科院物理所、河北師范大學等先后開始了對APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環保、薄膜材料等技術里域有著誘人的工業化應用前景，在大氣壓下和空氣中實現輝光放電產生低溫等離子體一直是國內外學者探尋的研究重點和熱點。2003年，國家自然科學基金委員會將“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了APGD，空氣也已經實現了用眼睛看上去比較均勻的準“APGD”。目前，對APGD的研究結果和認識是仁者見仁，智者見智。APGD的研究方興未艾，已經受到國內外許多大學和研究機構的廣泛重視。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阻擋裝置、頻率、功率、氣流、濕度等）許多實驗所看到的放電現象和輝光放電很相似即出現視覺特征上呈現均勻的“霧狀”放電，而看不到絲狀放電，但這種放電現象是否屬于輝光放電目前還沒有共識和定論。