低溫等離子體技術

低溫等離子體技術

等離子體是一種在特定條件下電離的氣體物質,被稱為物質的第4態。由帶電的離子、電子以及中性粒子組成,整個體系呈電中性。宇宙中99.9%的物質都處于等離子體的狀態。

為了研究的需要常把等離子體分為高密度和低密度的;穩態的和瞬態的;強電離和弱電離的;熱力學平衡和非熱力學平衡的,等等。但最常見的是按溫度分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體是熱力學平衡的等離子體,熱力學溫度為106~108K。低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體,熱等離子體是熱力學平衡或近熱力學平衡的等離子體,其熱力學溫度為103~10°K,如電弧等離子體、高頻等離子體和燃燒等離子體。冷等離子體是非熱力學平衡的等離子體,其電子溫度T。為3×(102~105)K,而電子溫度和氣體溫度T,之比:T./TR=10~100。如低氣壓輝光放電等離子體、介質阻擋放電等離子體等。由于低溫等離子體是一種處于非熱平衡狀態的等離子體,此時電子在與離子或中性粒子的碰撞過程中幾乎不損失能量,電子溫度遠遠大于離子或中性粒子的溫度,并且整體溫度接近于室溫,所以稱之為低溫等離子體。

低溫等離子體產生方式

低溫等離子體通常通過氣體放電的形式獲得。根據放電形式的不同,低溫等離子體可以分為下述幾種:輝光放電(glowdischarge)、電暈放電(coronadischarge)、介質阻擋放電(dielectricbarrierdischarge)以及大氣壓下輝光放電(atmosphericpressureglowdischarge)。

輝光放電(GlowDischarge)   

輝光放電屬于低氣壓放電(low pressure discharge),工作壓力一般都低于10mbar,其構造是在封閉的容器內放置兩個平行的電極板,利用電子將中性原子和分子激發,當粒子由激發態(excited state)降回至基態(ground state)時會以光的形式釋放出能量。電源可以為直流電源也可以是交流電源。每種氣體都有其典型的輝光放電顏色(如下表所示),熒光燈的發光即為輝光放電。因此,實驗時若發現等離子的顏色有誤,通常代表氣體的純度有問題,一般為漏氣所至。輝光放電是化學等離子體實驗的重要工具,但因其受低氣壓的限制,工業應用難于連續化生產且應用成本高昂,而無法廣泛應用于工業制造中。到2013年止的應用范圍僅局限于實驗室、燈光照明產品和半導體工業等? 。

電暈放電(CoronaDischarge)

氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電。是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近,由于局部電場強度超過氣體的電離場強,使氣體發生電離和激勵,因而出現電暈放電。發生電暈時在電極周圍可以看到光亮,并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對穩定的放電形式,也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期發展階段 。  

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10~10。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 。

實際上,要使電子和離子以及原子達到熱平衡,必須具有非常高的壓力和溫度。熱等離子體的典型事例是恒星。顯然,熱等離子體是不適宜用來處理材料的,因為地球上沒有哪種材料能夠耐受熱等離子體的溫度。與熱等離子體相比,低溫等離子體的溫度僅在室溫程度或者稍高,電子具有比離子和原子更高的溫度,一 般能夠達到 0.1~10 個電子伏。而且由于氣體的壓力低, 電子與離子之間的碰撞很少,因而不能達到熱力學平衡。由于低溫等離子體的溫度在室溫范圍,因而可以在材料領域內獲得應用。

低溫等離子體技術應用

低溫等離子體技術經歷了一個由20世紀60年代初的空間等離子體研究向20世紀80年代和90年代以材料為導向的研究領域的大轉變,高速發展的微電子科學,環境科學,能源、醫學與材料科學等,為低溫等離子體科學發展帶來了新的機遇和挑戰。

等離子體應用是一個具有全球性影響的重要的科學與工程,對高科技產業發展及許多傳統工業的改造都有著直接的影響。在高新技術領域,低溫等離子體具有其他技術無法替代的優勢。低溫等離子體提供了獨特的化學活性環境,被廣泛地應用于材料制備、結構制造、表面改性等。在傳統工業改造方面,尤其是在能源和環保領域,等離子體應用也日益增多,如節能新工藝、能源化工,煤的氣化等。在國家安全方面,低溫等離子體除了應用于核爆炸模擬以外,還可用于多種國防技術,例如等離子體天線,利用等離子體與電磁波相互作用開展的等離子體隱身、等離子體動能武器等等。

等離子體科學是一門快速成長的學科,如近年來發展起來的新型放電技術如大氣壓等離子體、微放電等離子體,它們極大地豐富了低溫等離子體的研究空間,產生了許多新效應,新現象。令人欣慰的是,在當前的能源危機、環境變暖、疾病傳播等重大問題方面,等離子體科學和技術的作用已經日趨顯現,如等離子體聚變,煤裂解、甲烷轉化,等離子體垃圾處理,等離子體抗菌滅菌,細胞的培養等??梢韵嘈?隨著等離子體科學研究的深入,作為一種高效,綠色的新型技術,等離子體技術一定能為解決社會可持續發展中遇到的問題和困難做出重要貢獻。

 

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