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低溫等離子體及產生方式

Aug. 15, 2023

人類對等離子體的系統認識開始于19世紀30年代的氣體放電研究，1928年Langmuir建立了等離子體的概念，即由大量具有相互作用的帶電粒子組成的宏觀中性的體系，是除氣、液、固之外，廣泛存在于自然環境的第四種物質形態。到70年代末，它已發展成為一門獨立的分支學科，其研究對象為天體等離子體、近地電離層空間等離子體和人工產生的實驗室等離子體。

根據粒子溫度的差異，可將其分為高溫等離子體和低溫等離子體，這兩種研究類型是不同的，高溫等離子體一般指核聚變等離子體，包括太陽日冕，磁約束聚變或慣性約束聚變，它們的特點是極熱的粒子和較高的等離子體密度，很難在實驗室中產生(需要像托卡馬克這樣的大型裝置)。

低溫等離子體具有較低的粒子溫度和密度。低溫等離子體有廣泛的研究和用途。一般采用實驗室氣體放電法生產，易于獲取和維護。低溫等離子體分為兩種，一種是冷等離子體（Nonthermal plasma），另一種是熱等離子體（Thermal plasma）。它們的區別在于粒子的熱力學平衡狀態，其中冷等離子體是宏觀溫度，或重粒子溫度相對較低，電子溫度可以很高。相反，熱等離子體是熱平衡等離子體，其中所有的粒子，包括電子，都是呈現較高溫狀態的，如大氣電弧等離子體，電弧等離子炬，焊接等離子體等。

低溫等離子體大多由放電產生，具有反應設備簡單、啟停快的特點。常用于材料處理、燃料轉化、制氫、廢氣降解等領域。常見的低溫放電等離子體產生形式有介質阻擋放電、電暈放電、滑動電弧放電、輝光放電、微孔放電等。

（1）介質阻擋放電

介質阻擋放電是1863年Simens等人在實驗過程中發現的一種無聲放電現象，通過外加高頻高壓交流電源產生的電場擊穿電極間作為電介質的氣體而產生等離子體的一種氣體放電方式，電極的一部分被絕緣介質覆蓋或插入放電空間，以防止放電電流隨著電壓的升高而不斷上升，抑制電流光通道內火花放電的形成。通過施加足夠高的交流電流，電極間隙中的氣體可以被迅速分解。介質阻擋放電（DBD）是一種微通道的放電結構，放電間隙電流由大量脈沖電流絲構成。電流絲在時間和空間上的分布是不規則的，且反應主要發生在微放電中。

微放電是介質阻擋放電的核心。在一個交流電壓循環中，每次微放電可分為三個階段：Ⅰ.放電的形成；Ⅱ.放電擊穿后,氣體間隙電流脈沖或電荷的輸送；Ⅲ.在微放電電流通道中，激發原子和分子，引發反應動力學，即自由基和準分子的形成過程。通常放電在幾納秒（10^-9秒）內就會中斷完成，微放電的壽命一般在10納秒的量級，原子和分子的激發和反應所需的時間在100納秒到秒的量級。

（2）電暈放電

電暈放電通常發生在曲率半徑較小的電極上(如針形電極或細絲電極)。在大氣壓力或高于大氣壓力時，一個強電場在電極附近形成，電離周圍的空氣，開始電暈放電反應。靠近電極的電子獲得大量能量，并與氣體分子碰撞電離并產生更多的電子，發生電子雪崩現象。它是氣體介質在不均勻的電場中的一種局部自持放電現象，通常在導體及強電場邊緣會出現藍紫色光暈,高電場下的氣體有大量的局部電離，但在弱電場下仍保持基態，電極之間沒有擊穿，這一過程被稱為電暈放電。

按照不同的劃分標準，可將電暈放電的產生做如下分類：

A.根據電極的極性，電暈放電可分為正電暈放電和負電暈放電。在正電暈放電中，進入電暈層的電子是由強電場中被激發粒子的光輻射產生的，光電離產生的電子觸發雪崩放電，最終被陽極收集，正離子則通過電暈層進入外圍弱場強區。負電暈放電的電暈層存在于極小曲率半徑的陰極中，高能電子由氣體分子電離產生。在負電暈放電中，陰極通常為細導線或針狀，陽極通常為平板或圓柱形。

B.根據電源的類型，電暈放電可分為直流電暈放電、交流電暈放電和脈沖電暈放電。直流電暈放電和交流電暈放電是在高壓下由于電極間電場分布不均勻而產生的放電形式。脈沖電暈放電主要利用電子作用激發、電離或解離氣體分子，產生強氧化性自由基。

C.根據電極的形狀，電暈放電可分為線板式、線線式、點板式、點點式以及線筒式等。使用最廣泛的電極結構是線板和線筒式。

在電暈放電中，電場強度的不均勻分布對放電效果有很大影響。放電電流主要受施加于放電電極上的電壓、電極類型、電極間距離、氣體等因素的影響，其大小一般在微安到毫安范圍內。

（3）滑動弧放電

滑動弧放電是一種在大氣壓條件下發生的周期性振蕩放電形式，當一對電弧形電極之間施加高壓時，電極最窄的部分會被擊穿形成放電電弧。在氣體的驅動下，電弧向上移動，電弧長度隨電極間距離的增加而增加。當電弧長度達到臨界值時，電弧消失，在電極最窄處形成新的電弧。滑動電弧放電具有電流密度大、發光強度高、溫度高的特點。