常壓輝光放電的建立及其特性實(shí)驗(yàn)研究(精)

1、第19卷第2期佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版Vol . 19No . 2 2001年6月Journa l of J i am usi Un iversity （Na tura l Sc ience Ed ition June . 2001文章編號：1008-1402（2001 02-0125-05常壓輝光放電的建立及其特性實(shí)驗(yàn)研究史慶軍， 顧彪，鄧祥（大連理工大學(xué)電氣工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,遼寧大連116023摘 要：常壓輝光放電（A PGD是新近發(fā)展起來的一種等離子體源,與低氣 壓輝光放電相比更具有工業(yè)應(yīng)用前景本文詳細(xì)介紹我們實(shí)驗(yàn)室在大氣壓條件下建 立的均勻穩(wěn)定、介質(zhì)壘控制的輝光放電等離子 體發(fā)生

2、裝置該放電發(fā)生器采用頻 率為10kH z和20kH z高壓電源，平板電極結(jié)構(gòu)，電極覆蓋絕緣層，間隙23mm , 可在多種氣體環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行放電電流波形和電壓-電荷李薩如圖形的測量充分 表明它確實(shí) 是常壓下的均勻輝光放電關(guān)鍵詞：氣體放電；常壓輝光放電（A PGD ;等離子體中圖分類號：0 461; O 531文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A0問題的提出近一、二十年來，氣體放電在微電子技術(shù)、激光、材料的改性和合成等高新技術(shù)的發(fā)展中起著相當(dāng)重要 的作用外加電場可以有效地把能量直接傳遞給反應(yīng)體系中的氣體原子，促使氣體被擊穿和電離，是人們廣泛采用的一種直接、有效獲得等離子體的方法迄今，人們在 實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)實(shí)踐中研究了各種

3、各樣的氣體放電形式.典型的氣體放電形式及參數(shù)如表1所示.表1典型的氣體放電種類及其相關(guān)參數(shù)1,2類別氣壓電子濃度電子平均能量氣體溫度電場強(qiáng)度P (To rr n e (c m -3 (ev T g (K E (V c m弧光放電 >100>10141104<20輝光放電 <1001091012287X1025010000電暈放電 >100<106<34X1022X104介質(zhì)阻擋放電 >100101410151103102103105由該表可以看出，輝光放電和介質(zhì)阻擋放電（DBD是具有較高電子能量的非平 衡等離子，非常適合工 業(yè)化應(yīng)用但是輝光放電目

4、前還只能在低壓下才能獲得，并需要有真空系統(tǒng)和具有嚴(yán)格密封的真空罩反應(yīng)器，工藝過程復(fù)雜，能耗大，成本高,難以實(shí)現(xiàn)流水化作業(yè)，將其應(yīng)用于市場極其廣闊的產(chǎn)業(yè)-如薄膜與織 物的表面改性 時(shí)受到了很大的限制例如,R akow sk i . W 3曾采用低氣壓輝光放電等離子體 （26to rr成功地實(shí)施了對羊毛條的改進(jìn)，其能耗比氯化處理工藝（7kw h kg羊毛降 低了 1020倍，而且節(jié)水，無有毒氣體與污染物排放，但由于上述原因而未能獲得 實(shí)用介質(zhì)阻擋放電是近十年來發(fā)展起來的一種放電形式，由于能在常壓下運(yùn)行而在 臭氧合成、環(huán)境保護(hù)、聚合材料的表面改性等方面獲得了廣泛應(yīng)用通常在高氣壓（> 0. 1M

5、 Pa電極間距d >0. 1mm時(shí),介質(zhì)阻擋放電擊穿被認(rèn)為是主要機(jī)制4. 這是一種高氣壓下的非平衡放電，其電極結(jié)構(gòu)特征是它的電極（至少有一個(gè)被絕緣 介質(zhì)層所覆蓋.放電空間的帶電粒子在電場作用下的電子繁流和遷移運(yùn)動(dòng)使帶電粒 子沉積收稿日期:2001-5-8基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目號100075010作者簡介：史慶軍（1966,男,黑龍江穆棱人，佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù) 學(xué)院講師，大連理工大學(xué)碩士研究生在絕緣介質(zhì)層上，所形成的壁電荷抵消了外電場，并使電子繁流猝滅，因此這 是一種放電著火又猝滅的暫 態(tài)過程從而，在電極間形成大量的電流細(xì)絲通道，即 微放電.每個(gè)微放電壽命10n s

6、,圓柱狀細(xì)絲的半徑 約為0. 1mm ,平均看來貌似均 勻的輝光放電.但是值得注意的是，介質(zhì)阻擋放電具有較高的能量密度5,雖然在 材料表面改性工業(yè)化中具有低氣壓輝光放電無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是在化纖織物與薄膜的改性實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)電流細(xì)絲對織物表面的刻蝕作用很強(qiáng)烈，控制不當(dāng)極易 造成損傷6.因此，研究開發(fā)一個(gè)大氣 壓下工作的，均勻穩(wěn)定大面積常壓輝光放電 等離子體（A PGD是一個(gè)頗具理論和實(shí)用價(jià)值的課題.據(jù)科技情報(bào)查詢,國內(nèi)至今 尚未見對常壓輝光放電等離子體及其應(yīng)用研究的報(bào)道.一般認(rèn)為，輝光放電等離子體只能在低氣壓（幾to rr狀態(tài)下才能產(chǎn)生.這是因 為在低氣壓下，氣體壓強(qiáng)與放電間隙的乘積pd值很

7、小，即使折合擊穿電場E n很 高，電子也無法經(jīng)歷足夠次碰撞以使電子雪崩 達(dá)到足夠大，空間電荷場的幅度也比 高氣壓情況下的小，這樣離子將有足夠時(shí)間向陰極運(yùn)動(dòng)，從陰極表面激發(fā)出二次電 子.因此通常獲得的是湯生放電或輝光放電.對常壓輝光放電的研究有很長的歷史了. 1933年V on En gle等7研究了在低氣壓H2條件下引燃再 過渡到常壓的輝光放電等離子體特性，但由于需要真空條件 及對電極的溫度控制而限制了應(yīng)用.由于該放電形式良好的工業(yè)化應(yīng)用前景，近年 來受到了各國研究人員的高度重視，獲得了很大的進(jìn)展.1988年，Ka nazaw a等8首先報(bào)道了常壓輝光放電的建立，但是建立條件依然苛刻，需 要滿

8、足三個(gè)條件，即（1激勵(lì)源頻率需在1kH z以上；（2兩個(gè)金屬電極之間必須要有絕緣介質(zhì)存在 ；（3必須 使用昂貴的氦氣作稀釋氣 體.1993年O kazak i 9和1997年Ro th等1011使用 特定形式的電極和較低的電源頻率，在空氣等多種氣 體中建立了常壓輝光放電，并 嘗試用來對pp材料進(jìn)行表面改性.A PGD是一種新的放電形式，不同于低氣壓輝光放電，對其放電特性及等離子 體特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定，進(jìn)而對其建立過程和機(jī)制進(jìn)行研究，是非常必要和較困難的事情目前國際上對它的研究尚處于起步階段,對其等離子體特性的研究報(bào)道則更少.M assines 12和 okazak i 9分別通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)

9、研究 ,初步圖1常壓 輝光放電等離子體改性裝置1交流高壓發(fā)生器2高頻變壓器3匹配網(wǎng)絡(luò)4放電室5電極6介質(zhì) 7待改樣樣品8取樣網(wǎng)絡(luò)9測量系統(tǒng)揭示了這種放電區(qū)別于細(xì)絲放電的基本特征和判別依據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室在電暈放電和無聲放電等離子體化纖改性研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過對常壓下的介質(zhì)阻擋放電特性分析，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和摸索，對電暈放電等離子體處理裝置進(jìn)行電極改造，調(diào)變頻率、電壓及改變工作氣體組分，將輝光放電條件延伸到大氣條件下，建立了常壓輝光放電等離子體源.與已報(bào)道的放電裝置相比，該放電采用平板電極結(jié)構(gòu),可工作在10kH z和20kH z頻率下,配置簡單，放電均勻、穩(wěn)定，既克服了傳統(tǒng)的對電極形式要求很高的技術(shù)難題

10、,又拓寬了工作氣體的種類本文詳細(xì)介紹該放電裝置的組成及工作條件，通過對其基本特性的電測量，結(jié)果充分表明其為常壓輝光放電.1常壓輝光放電的建立工業(yè)用等離子體常常由高頻放電產(chǎn)生電源頻率從1kH z到10GH z ,覆蓋了很 寬的電磁頻譜范圍.甚低頻VL F (3kH z 30kH z及低頻L F (30kH z 300kH z等離 子源可以提供較高的電場，產(chǎn)生的等離子體 均勻穩(wěn)定，電子溫度及粒子的活性都很 高，在工業(yè)應(yīng)用中技術(shù)成熟.雖然，高頻放電等離子體發(fā)生裝置要比 直流放電復(fù)雜 但是這些附加設(shè)備的功耗與復(fù)雜性應(yīng)就其運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)來做出評判.這些優(yōu)點(diǎn)已被許多工業(yè)621佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2001

11、年應(yīng)用所證實(shí)13.我們建立的常壓輝光放電等離子體源如圖 1所示它由交流高頻電壓源、高 頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)、放電室、供氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等部分組成.高壓發(fā)生器 采用可控硅變頻，分別輸出固定頻率10 20kH z、功率可調(diào)的電流電壓加到高頻變 壓器的初級，在次級輸出112kV的交變電壓，帶動(dòng)放電電極.由于放電等離子 體 呈容抗性質(zhì)，在高頻電源與放電反應(yīng)器之間所加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是必需的 為了高效 率產(chǎn)生大面積、均勻高密度等離子體，我們采用內(nèi)電極平板型結(jié)構(gòu)另外絕緣介 質(zhì)的種類和厚度也是很重要的因素放電電極配置及其工作條件如表2所示.表2常壓輝光放電裝置電極配置及工作條件氣壓760To rr 760To r

12、r 工作氣體H e , A r , A r乙醇，A r丙酮H e A r , A r乙醇 電極面積234c m 2234c m 2放電間隙2mm 23mm工作頻率10kH z 20kH z工作電壓>3kV >3kV絕緣介質(zhì)厚度2mm 2mm2常壓輝光放電基本特性測量通過對DBD放電特性的基本分析和選擇合適的放電頻率 、放電間隙和絕緣 介質(zhì)等大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了常壓下的輝光放電從放電情況來看，極間放電均勻，充 滿輝光，沒有觀察到細(xì)絲的出現(xiàn)和臭氧生成然而，該放電是否是大量細(xì)絲耦合而 成還無法確定限于實(shí)驗(yàn)條件，我們采用電磁測量手段對 A PGD的基本電特性一伏安特性和 電壓一電荷李薩如圖形

13、進(jìn)行了測量，并通過獲得的測量結(jié)果討論這種新型放電的基 本特征測量原理圖分別如圖2,圖3所示.電源電壓V i波形通過30M 8和100k 8 電阻構(gòu)成取樣網(wǎng)絡(luò)來測量，放電電流I d通過與放電電極串聯(lián)的小電 阻（518獲得. 利用電容上的電壓正比于電荷關(guān)系，通過在回路中串聯(lián)一個(gè)比介質(zhì)等效電容大的多 的電容（0. 47 A獲得電極極板上的電荷 Q .測量結(jié)果如圖4,圖6所示5!氣流：放電室圖2常壓輝光放電電壓、電流測量圖3常壓輝光放電電壓電荷李薩如圖形測量3結(jié)果討論由圖4放電電壓-電流示波圖可以看出，盡管激勵(lì)電源波形不同，頻率不同，但 放電的電流波形非常相似，即均為單脈沖形式，分別出現(xiàn)在電壓的正負(fù)半

14、周，其周 期與電源頻率相同（b除外，因該電源關(guān)系，輸出正半周電壓小于氣體著火電壓，脈 沖幅度約為60mA ,持續(xù)時(shí)間約為12A s .該放電電流的主要特性是各放電脈沖出現(xiàn)的周期相同，也就是說，它與外界電壓具有相同的周期性這種放電過程可解釋為：同DBD放電類似，由于合適的絕緣 介質(zhì)對電荷的積累作用，在電源電壓還未達(dá)到 最大值時(shí)，間隙中的氣體電壓V g的 增長足以點(diǎn)燃放電.瞬間放電釋放的電荷與介質(zhì)板表面上的積累電荷中和將導(dǎo)致Vg迅速下降直至電流變小以致無法補(bǔ)償外界電壓的增大 V g下降導(dǎo)致放電熄滅，避免了陰極721第2期史慶軍等：常壓輝光放電的建立及其特性實(shí)驗(yàn)研究斑點(diǎn)的形成在電壓負(fù)半周，外電壓和記

15、憶電壓共同使氣體電壓向反向增大直 至達(dá)到擊穿電壓，繼而產(chǎn)生 新的放電(a電源頻率為20kH z(b電源頻率為10kH z圖4常壓輝光放電電壓、電流測量示波圖圖5細(xì)絲放電特性示波圖應(yīng)該注意的是，一次放電結(jié)束后，即使外界電壓增大直到最大值，但是由于絕緣介質(zhì)的存在，氣體電壓在放電過程中下降較大，因此看不到放電這與通常的細(xì)絲放電特性(圖5截然不同.在那里，放電從某電壓值一直持續(xù)到電壓達(dá)到最大值為止這種現(xiàn)象表明，放電結(jié)束時(shí)，電極整個(gè)表面均勻帶電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放電氣體組分、絕緣介質(zhì)的種類和厚度是決定常壓輝光放電產(chǎn)生的非常重要的因素.圖6 常壓輝光放電電壓一電荷李薩如圖形圖7 DBD放電電壓一電荷李薩如圖9圖6

16、表明這種放電的李薩如圖形僅由上下兩條平行線組成，區(qū)別于細(xì)絲放電（圖7 .其原因是：由于A PGD放電電流在外加電壓的半個(gè)周期內(nèi)為單脈沖形式,且在放電瞬間電壓幾乎不變，放電脈沖持續(xù)時(shí) 間極短（見圖4 ,因此放電瞬間放電電 極上電荷變化異常迅速，而在李薩如圖形上反映這種變化的應(yīng)該是 平行四邊形的垂 直兩條邊，故無法看到這種變化與已測得的放電電流的變化曲線是非常吻合的，也同M ass ines的理論模擬相吻合.這說明，我們建立的常壓放電確實(shí)是一種常壓下的瞬間連續(xù)放電，即輝光放電4結(jié)論我們通過對介質(zhì)阻擋放電特性的分析和對電暈放電等離子體裝置的合理改造，獲得了穩(wěn)定均勻的常 壓放電放電電壓電流波形及電極上

17、電壓 一電荷的李薩如圖形 的測量結(jié)果充分表明該放電為常壓輝光放電，可穩(wěn)定地運(yùn)行在設(shè)計(jì)所期望的狀態(tài) 與已有各裝置相比，該放電采用平板電極結(jié)構(gòu)，面積大、放電均勻，配置簡單實(shí)用， 可工作在10kH z和20kH z頻率下,既克服了傳統(tǒng)的對電極形式要求很高的技術(shù)難 題,又拓821佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2001年寬了工作氣體的種類，特別是不再依賴于較昂貴的氦氣，可以使用有機(jī)氣體如 乙醇、丙酮等，且只需簡單密封即可實(shí)踐表明，利用該放電產(chǎn)生的非平衡等離子 體進(jìn)行滌綸織物表面改性，親水性顯著提高，吸水時(shí)間由原來的1800秒減少到1 秒左右，對堿性紫染料的染色深度提高了三倍參考文獻(xiàn)：1 趙化僑等離子體化學(xué)與

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