（等离子体物理专业论文）大气压射流冷等离子体的产生和特性研究.pdf

中国科学技术大学博= b 论文 摘要 摘要 大气压放电因为不需要真空系统，便于工业应用。正是这个原因，有关大气 压产生稳定的非平衡等离子体的放电，特别是大气压辉光放电的研究，已经成为 国内外低温等离子体领域的一个研究热点。 近来，几种新颖的大气压等离子体源装置被研制出来，例如，一个大气压均 匀辉光放电、大气压表面放电和大气压射流冷等离子体等。 大气压射流冷等离子体由于等离子体可以形成在放电区域之外，而且气体温 度较低，用于材料处理时不仅减小了高温对物体表面带来的损伤，而且还可克服 放电区域狭小给处理工作带来的不便，有利于处理体积大或复杂的物体，而且大 气压射流冷等离子体可以在开放的环境中通入其他( 非空气) 气体进行工作，可 以说大气压冷射流等离子体是大气压下产生非平衡等离子体的一种新的形式，已 经受到越来越多的关注。 但是目前大气压射流冷等离子体的气体温度还是比较高的，达到5 0 3 0 0 0 c ， 这样就不适合处理一些不耐高温的物体；此外这种等离子体装置的处理面积较 小，有待进一步改进。 为了改进大气压射流等离子体的不足，我们设计了几种大气压射流冷等离子 体发生器，并作了一系列的实验研究。大气压射流冷等离子体的气体温度大约为 2 5 3 0 0 c ，低于目前己报道的大气压射流等离子体的气体温度5 0 3 0 0 。c 。我们通 过改变喷嘴的形状来增大等离子体处理面积。对大气压射流等离子体的放电特性 进行了研究：当固定电压峰值为1 2 k v ，电源频率在2 1 l k h z 之间时，产生大气 压射流冷等离子体的放电主要以丝状放电为主：电源频率在1 2 1 6 k h z 之时，放 电主要以“类辉光放电”为主。当固定频率为7 k h z 改变电压时，我们发现随着 电压的增加，产生大气压射流冷等离子体的放电由丝状放电为主向“类辉光放电” 为主转变。我们利用发射光谱诊断手段对大气压射流冷等离子体的特性进行研 究，通过费米狄拉克模型对不同频率下的大气压射流冷等离子体的电子激发温 度进行了计算，发现不同频率下的电子激发温度在考虑实验误差的情况下变化很 小，说明在固定电压下电子激发温度受频率的影响不大。此外，我们还利用等效 电路的方法推导和计算了同电压峰值不同频率下放电气隙的传导电流和加在放 电气隙的电压，并根据传导电流对不同频率下的大气压射流冷等离子体的电子密 中国科学技术大学博士论文 摘要 度进行了估算。 由于大气压射流冷等离子体的气体温度低，我们将它用于灭菌试验。对大肠 杆菌和枯草杆菌的灭菌结果表明，当等离子体接触到菌种时，等离子体的灭菌效 果要好于没有接触的情况。我们还利用发射光谱对大气压射流冷等离子体的活性 成分进行了初步分析，并利用紫外吸收谱测得射流冷等离子体产生的臭氧含量为 1 0 x 1 0 1 6 c m - 3 。 大气压射流冷等离子体被用于聚丙烯( p p ) 和苯二甲酸乙二酯( p e t ) 纤维 的表面改性研究。在射流冷等离子体处理之后，p p 和p e t 与水的接触角明显减 小，放置在空气中6 0 天后两种聚合纤维与水的接触角有小幅的回升。我们利用 红外吸收谱( f t i r ) 、x 射线光电子能谱( x p s ) 对聚合纤维表面的化学改变进 行了研究，发现在经过等离子体处理以后，聚合纤维表面出现了c = o ， o h ，c o h 和c o o 这样的含氧极性基团。其中，在处理后的p p 表面上出现了 极性基团o h 和c o o ；p e t 表面上出现了一c = o ，c o h 。扫描电子显微镜( s e m ) 显示p e t 纤维表面在处理后变得粗糙，而p p 纤维表面在处理后则没有明显的变 化。 我4 f l n 用大气压下平行平板电极d b d 放电等离子体化学气相沉积和大气压 射流冷等离子体两种方法进行类二氧化硅薄膜的沉积实验研究。大气压下平行平 板电极d b d 放电等离子体化学气相沉积的工作气体分别用了氩气和氮气，而大 气压射流冷等离子体的工作气体是氩气。六甲基二硅氧烷( h m d s o ) 作为硅和 氧的先驱粒子。运用红外吸收光谱( f t i r ) 和x 射线光电子能谱( x p s ) 对沉 积薄膜进行结构分析。红外吸收谱分析呈现出明显的s i o s i 吸收峰，有机硅的 含量也随h m d s o 的含量的增加而迅速增加很快趋于饱和。大气压下平行平板 电极d b d 放电等离子体化学气相沉积得到的类二氧化硅薄膜中 s i o 的含量比 为1 ：1 1 8 ，而大气压射流冷等离子体沉积得到的类二氧化硅薄膜的 s i o 含量 比为1 ：1 8 9 。从硅氧含量比来看大气压射流冷等离子体能够更好胜任沉积二氧 化硅的这项应用。 中国科学技术人学博十论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r ed i s c h a r g e s ( a p d s ) h a v em a n ya d v a n t a g e sb e c a u s et h e y d on o tn e e dah i g hv a c u u ms y s t e ma n ds h o wt ob eo fg r e a tp r o s p e c tf o ran u m b e ro f i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s f o rt h i sr e a s o n ，t h e r eh a sb e e ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti na p d s ， e s p e c i a l l ya t m o s p h e r i cp r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e ( a p g d ) ，i n t h eg l o b a ll o w t e m p e r a t u r ep l a s m af i e l d s r e c e n t l y ，af e wn o v e la t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m as o u r c e sh a v eb e e nd e v e l o p e d ， s u c ha st h eo n e a t m o s p h e r eu n i f o r mg l o wd i s c h a r g ep l a s m a ( o a u g d p ) ，t h e a t m o s p h e r i cp r e s s u r es u r f a c ed i s c h a r g ea n dt h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m aj e t ( a p p j ) t h ed i s c h a r g er e g i o n so ft h e s ep l a s m as o u r c e sa r es ol i m i t e dt h a tt h e ya r en o t s u i t a b l et ot r e a tt h eb u l k yo rc o m p l e xo b j e c t se x c e p ta p p j i na d d i t i o n ，a p p jc a n o p e r a t ew i t hv a r i o u sg a si no p e na i rw i t h o u tv a c u u me q u i p m e n t ，a n dt h eo t h e r a t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m ad e v i c e sh a v en ot h i sp r e d o m i n a n c e r e c e n t l y ，t h e r eh a s b e e ng r e a ti n t e r e s ti nt h ea p p jb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s h o w e v e r ，t h ep l a s m ag a st e m p e r a t u r eo fa p p ji s5 0 3 0 0 。( ：；i ti sn o ts u i t a b l ef o r t r e a t i n gt h o s ev u l n e r a b l eo b j e c t s t h et r e a t m e n ta r e ao fa p p ji ss m a l l ，a n di ts h o u l d b ee n l a r g e d t or e s o l v et h ep r o b l e mo ft h ea p p j ，as e to fa t m o s p h e r i cp r e s s u r ec o l dp l a s m a j e t ( a p c p j ) s e t u ph a sb e e nd e v e l o p e di no u rl a ba n dw eh a dp e r f o r m e dm a n yk i n d so f e x p e r i m e n t s t h eg a st e m p e r a t u r eo fa p c p ji sl o w e rt h a na p p ja n dt h ec o l dp l a s m a t o r c h ，a n di to n l y2 5 3 0 。c w ea u g m e n tt h et r e a t m e n ta r e ao fa p c p jb yc h a n g i n gi t s s h a p eo fn o z z l e t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e ro ft h ea p c p ji ss t u d i e d t h em a i no f d i s c h a r g ei sf i l a m e n t a r yd i s c h a r g ew h e ne l e c t r i c a ls o u r c eo p e r a t eb e t w e e n2 1lk h z a n dt h ep e a kv a l u eo fv o l t a g ei sf i x e da t12 k v ；t h em a i no fd i s c h a r g ei s l i k e g l o w d i s c h a r g e ”w h e ne l e c t r i c a ls o u r c eo p e r a t eb e t w e e n12 16 k h zw i t ht h es a m ep e a k v a l u eo fv o l t a g e t h ed i s c h a r g ec h a n g e sf r o mf i l a m e n t a r yd i s c h a r g et o l i k e g l o w d i s c h a r g e ”，w h e nt h ef r e q u e n c yo fe l e c t r i c a ls o u r c ei sf i x e da t7 k h za n dt h ep e a k v a l u eo f v o l t a g ei si n c r e a s e d t h ee m i s s i o ns p e c t r u mi su s e da st h ea p c p jd i a g n o s t i c m e t h o d st os t u d yt h ep l a s m ac h a r a c t e r i s t i c s e x c i t a t i o nt e m p e r a t u r e so fa p c p ji n 中国科学技术大学博j b 论文 英文摘要 d i f f e r e n tf r e q u e n c ya r ed e t e r m i n e df r o maf e r m i - d i r a cm o d e lw h e nt h ep e a kv a l u eo f v o l t a g ei sf i x e d ，a n dt h e yc h a n g el i t t l ei fw ec o u n tt h ee x p e r i m e n te r r o r t h ee l e c t r o n d e n s i t i e so fa p c p ji nd i f f e r e n tf r e q u e n c ya r ee s t i m a t e df r o me q u i v a l e n te l e c t r i c a l c i r c u i tm o d e l w eu s ea p c p jf o rs t e r i l i z a t i o nb e c a u s eo fi t sl o wg a st e m p e r a t u r e p r e l i m i n a r y r e s u l t sa r ep r e s e n t e do nt h ed e c o n t a m i n a t i o no fe c o l i sb a c t e r i aa n db a c i l l u ss u b t i l i s b a c t e r i ab yt h i sp l a s m aje t t h er e s u l tt h a tt h ep l a s m ai sc o n t a c t e dt oc u l t u r ei s g r e a t b e t t e rt h a nt h a tp l a s m ai so f fc u l t u r e a no p t i c a le m i s s i o na n a l y s i so ft h ep l a s m aj e ti s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h eo z o n ec o n c e n t r a t i o nt h a tg e n e r a t e db yt h ep l a s m aje ti s 1 o xl0 1 6 c m a c q u i r e db yu s i n gt h eu l t r a v i o l e ta b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y p r e l i m i n a r yr e s u l t sa r ep r e s e n t e do nt h em o d i f i c a t i o no fp o l y p r o p y l e n e ( p p ) a n d p o l y e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ( p e t ) f i b e r sb yt h i sc o l dp l a s m aje t t h ew a t e rc o n t a c t a n g l eo ft h e s em a t e r i a l si sf o u n dt od e c r e a s ea f t e rt h ep l a s m at r e a t m e n ta n di tw i l lb e r e c o v e r i n ga l i t t l ei nt w om o n t h s t h ec h e m i c a lc h a n g e so ns u r f a c eo f p o l y m e r sf i b r e s a r es t u d i e d b y f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ( f t i r ) a n dx r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) i ti s f o u n dt h a tt h es u r f a c ea c q u i r e d o x y g e n c o n t a i n i n gp o l a rf u n c t i o n a lg r o u p ss u c ha s c = 0 ，- o h ，c - o ha n dc o o a p p e a r e di n p o l y m e rf i b r e ss u r f a c ea f t e rp l a s m at r e a t m e n t t h ef u n c t i o n a lg r o u p ss u c ha s c = o ， 一o ha n dc o o a p p e a ri np pf i b r e ss u r f a c ea n d - c = 0 ，c - o ha p p e a ri np e tf i b r e s s u r f a c ea f t e rp l a s m at r e a t m e n t s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) i su s e dt os t u d y t h ec h a n g e si ns u r f a c ef e a t u r eo fp o l y m e r sd u et op l a s m at r e a t m e n t t h ef i b e rs u r f a c e o ft r e a t e dp e tb e c a m er o u g h e rt h a nu n t r e a t e do n e ，b u tt h ef i b e rs u r f a c eo ft r e a t e dp p s e e m e dt oh a v en oc h a n g ec o m p a r e dw i t hu n t r e a t e do n e s i o xf i l m sa r eg r o w no ns is u b s t r a t e sb yd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g er d b d ) p l a s m a - e n h a n c e d - c h e m i c a l - v a p o r - d e p o s i t i o n ( p e v c d ) a n db ya t m o s p h e r i cp r e s s u r e c o l dp l a s m aje t ( a p c p j ) w i t hh e x a m e t h y l - d i s i l o x a n e ( h m ds o ) d i l u t e db yn i t r o g e n o ra r g o na ss o u r c eg a s t h ef i l m sa r ec h a r a c t e r i z e dw i t hf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a - r e d ( f t i r ) a n dx r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) p r o n o u n c e da b s o r p t i o np e a ki n f t i rs p e c t r ac o n f i r m st h es t r u c t u r eo fs i - 0 一s i ，a n da sh m d s oc o n t e n tr i s e ，t h e d e n s i t yo fo r g a n i cs i l i c o ni n c r e a s e sg r e a t l ya n dt h e ns a t u r a t e s s i o c o n t e n tr a t i oo f i v 中困科学技术人学博i j 论义英义摘要 s i o 。t h a ti sd e p o s i t e db yd b dw i t ha r g o na ss o u r c eg a si se s t i m a t e dt o1 ：1 18 ，a n d s i o c o n t e n tr a t i oo fs i o xt h a ti sd e p o s i t e db ya p c p jw i t ha r g o na ss o u r c eg a si s e s t i m a t e dt o1 ：1 8 9 t h e s er e s u l ts h o wt h ea p c p jc a nb ec o m p e t e n tf o rs i o xf i l m s d e p o s i t i o n v 中围科学技术大学博j ：论文 第一辛绪论 第一章绪论 气体放电早已有广泛的应用，其悠久的历史可以追溯到现代科学研究的起 源。1 9 世纪以前，人们只是解释自然界中的气体放电现象。1 9 世纪以后人们开 始了对各种气体放电的实验研究和工业应用探索。例如h u m p h r yd a v y ( 1 7 7 8 1 8 2 9 ) 的电弧和m i c h a e lf a r a d a y ( 1 7 9 1 1 8 6 7 ) 的低气压辉光放电。实 验室等离子体一般是通过气体放电产生的，根据气体放电的伏安特性，气体放电 的形式可概括为汤生放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电等，由气体放电在低 气压下产生的低温等离子体在材料合成、材料表面改性、等离子体刻蚀、等离子 体显示等领域已得到广泛的应用，而且变得越来越重要，然而对于大规模工业 生产而言，低气压放电形成的等离子体存在难以适应的弱点，那就是由于放电处 于低气压状态，真空系统是必不可少的。而工业化的真空系统所需的投资和运行 费用较高，并且工业处理过程中需要不断地打开真空室取出成品，添加样品，然 后重新抽真空，充入所需气体并放电。这样就只能采取分批作业的方式，难以实 现流水线连续生产。显然从工业应用角度而言人们更需要在大气压条件下产生低 温等离子体，研究大气压等离子体源已成为工业等离子体工程研究中的一个重要 方向。在大气压下( 或一个大气压以上) 产生低温等离子体的方法主要有，通过 电晕放电形式、弧光放电形式和通过介质阻挡方法产生的放电( 包括丝状的汤生 放电和类似低气压下的辉光放电) 。 1 1 高气压气体放电简介 ( 1 ) 电晕放电 一般来说，电极的几何构形对电晕放电有重要作用，在放电的两个电极中至 少有一个电极曲率半径很小，放电一般产生在尖端、边缘或细丝附近的强电场区。 产生电晕放电的条件是：气体压强较高( 一般在一个大气压以上) ，电场分布很 不均匀，并有几千伏以上的电压加到电极上【2 ”。电晕只发生在“临界半径”区 域之内，所谓“临界半径”是指径向衰减的电场在该处强度f 好等于工作气体的 击穿场强，电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近， 气体发光也发生在该电极附近的薄层中。电晕是一种自持放电，放电电流很小， 一般在微安数量级。与天文学中同晕、月晕图象相似。电晕放电的工业应用有静 中困科学技术人学博! l ：论义第一章绪论 电除尘、增加印刷材料可印性、以及有毒废气处理等等1 1 。但电晕放电很微弱 且产生活性粒子的效率和浓度低，加之放电不均匀性，使用上很有局限性。 ( 2 ) 弧光放电 弧光放电是一种白持放电，它的维持电压很低，这是与其他类型放电明显不 同之处。放电电压虽然在有些条件下可达到几百伏，但通常只有几十伏，这是由 电弧很低的阴极位降( i o v 量级) 决定的。通常表现为一个明亮并且收缩的放电 通道，在弧光阴极处电流密度是非常高的，可高达1 0 6 1 0 1 0 a c m 2 。高电流密 度加热阴极表面产生强的热电子发射。高气压弧光放电等离子体电子温度和中性 气体温度接近，通常接近或处于热平衡状态，其温度高达数千度甚至数万度，功 率密度高达i o o w c m 3 1 0 k w c m 3 。电弧放电的特点是能量密度高，产生一个电 子离子对需要输入约1 0 0 0 0e v 的能量，因此在工业上电弧等离子体多用于等离 子体冶金、喷涂、切割：加热焊接材料、处理生化和有毒废料、表面热处理、以 及等离子体化工等需要高气体温度的场合【2 。7 j 。 ( 3 ) 介质阻挡放电 介质阻挡放电( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ：d b d ) 是有绝缘介质插入放电空 | 白j 的一种气体放电方法。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间罩，通常在 如图1 1 所示的平板( 或圆柱状) 结构中产生。由于有介质层的存在，介质阻 挡放电只能工作在交流条件下，可以用频率从5 0 h z 到m h z 量级的高电压电源 来驱动。在大气压( 1 0 s p a ) 下这种气体放电通常呈现微通道的放电结构，即通 过放电i 白j 隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成【1 2 - t3 1 ，电流细丝在放电空间和时间 上都是无规则分布的，这种电流细丝就称为微放电，e 因为这样，介质阻挡放电 也常被称为丝状放电( f i l a m e n t a r yd i s c h a r g e ) 。每个微放电的时间过程都非常短促， 一般仅1 0 n s 数量级，而电流密度却可高达0 1 1 k a c m 2 。圆柱状细丝的半径约 为1 0 0um 【1 4 】。图1 2 是空气中微放电在介质表面上的斑点照片。照片是通过透 明电极拍摄到的【l5 l 。 在外电场作用下电子从电场中获得能量，通过电子与周围原子分子碰撞，电 子把自身的能量转移给它们，使它们激发电离，产生电子雪崩。当气体问隙上的 外电场电压超过气体的击穿电压时，气体被击穿。出于电极间介质的存在，限制 了放电电流的自由增长，从而阻止了极间火花和弧光的形成。在气压为大气压和 中囝科学技术火学博l j 论文第一章绪论 更高时，气体击穿通常会造成大量的电流细丝通道，这就是所谓的微放电。单个 微放电是在放电气体间隙里某个位置发生的，同时在其它位置上也会产生另外的 微放电。正是由于介质的绝缘性质，这种微放电能够彼此独立地发生在很多位置 上。当微放电通道两端的电压稍小于气体击穿电压时，电流就会截止。在同一位 置上只有当电压重新升高到原来的击穿电压数值时刁会发生再击穿和在原地产 生第二个微放电。很显然这样在放电的每个半周期内会出现大量时间短促的电流 脉冲群，在整个放电时t 百j f n 空间内大量微放电一般是无规则分布着的。 一e l e c t r o d e 眍= 茎j 墨：星】a e i l c r r i c rj h 旷r 穗裹噱受黥蘸爨咬魉 一 区蔓至西互：【嚣 甲广广 q ”“v 幽1 1 介质阻挡放电的电极结构 图1 2 空气中微放电的照片 介质阻挡放电早在1 8 世纪6 0 年代的德国就己被应用于产生臭氧对公共用水 进行杀菌消毒处理。除此之外，d b d 还有许多应用场合，例如c 0 2 激光器、紫 中国科学技术大学博士论文 第章绪论 外或可见光源、有毒废物处理、以及等离子体平板显示器等等 1 6 _ 30 1 。近年来， d b d 已经被应用于表面改性等方面，例如增加纸张、薄膜以及聚合物纺织品的 表面能，从而改善其印染性能【l 】f 3 1 1 。 介质阻挡放电的优点是能够在高气压下产生非平衡等离子体，且等离子体电 子温度、密度适中，但如前面所说在高气压下，放电区通常充满大量随机微放电 通道，呈丝状放电形式，其工业应用也很有局限性。近期实验研究表明在一些条 件下这些微放电通道可呈现有序排列的状态，被称作是介质阻挡放电的斑图模式 3 2 1 ，特别是在一些特定条件下，通过介质阻挡放电方法可产生类似低气压的辉 光放电形式的等离子体。这吸引着低温等离子体界的广泛关注，也成为低温等离 子体领域研究的热点之一。 1 2 大气压辉光放电研究的历史和现状 长期以来人们一直在努力实现大气压下的辉光放电，早在1 9 3 3 年，德国的 v o ne n g e l 等人就已利用裸露电极在空气或氢气中产生大气压下的直流和射频辉 光放电【33 1 ，但是这种放电很不稳定，容易从辉光过渡到电弧。另外，它需要冷 却电极并且需要在低气压下点燃后逐渐升压至大气压，因此仍然需要真空系统。 在此之后，人们为了获得大气压下大体积的均匀放电，尝试了很多种方法，例如 多针阴极放电( m u l t i p i nc a t h o d ed i s c h a r g e ) 、毛细管放电( c a p i l l a r yd i s c h a r g e ) 、 微空心阴极放电( m i c r o h o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g e ) 、电阻电极放电( r e s i s t i v e e l e c t r o d ed i s c h a r g e ) 3 4 1 。19 8 8 年，日本的s o k a z a k i 等人报道了大气压下氦气中 产生的稳定辉光等离子体【3 5 】。自此以后，美国的j r r o t h 36 1 、法国的f m a s s i n e s 3 7 1 等研究小组利用介质阻挡放电系统，进行了许多大气压辉光放电的研究。图1 3 就是一个大气压辉光放电的装置示意图。 4 中国科学技术大学博：卜论文第一章绪论 图1 3 一个大气压下辉光放电装置【3 8 1 日本研究人员s o k a z a k i 等在1 9 8 8 年通过试验提出，如果想在大气压条件下 获得稳定的辉光放电等离子体的三个条件【3 4 】是：( 1 ) n 用氦作为稀释气体；( 2 ) 采 用千赫兹频率的电源：( 3 ) 在电极板上覆盖绝缘介质。到1 9 9 3 年，o k a z a k i 等人 又提出，可以利用电流脉冲波形和电压一电荷的利萨如图来区分丝状放电和辉光 放电( 3 9 】，图1 4 所示。 ( c ) ( b ) 图1 4 电流脉冲波形和电压一电荷利萨如图( a ) 丝状放电波形( b ) 大气压辉光放电波形( c ) 丝状放电的电压一电荷的利萨如图( d ) 辉光放电的电压一电荷的利萨如图 在用交流电源激发大气压辉光放电的时，在辉光放电的每半个周期内，都会因气 体击穿而出现一次脉冲电流，而这样的脉冲电流会以很规律且很规则的形状出现 中国科学技术人学博士论义 第一章绪论 ( 通过示波器可以观察到) ，相反丝状放电的电流脉冲多数为比较杂乱的毛刺出 现( 见图1 4 、图1 5 ) ，而且辉光放电的电流脉冲的时i 、白j 宽度往往要比丝状放电 的电流脉冲时间宽度要大得多，自订者是微秒量级而后者是纳秒量级，这可以从图 1 5 和表( 1 ) 0 1 看出。这样类似的电流波形在其它国家的研究人员的报道中也 出现过【3 5 】【4 卜4 9 】【4 0 1 。图1 4 ( c ) 、( d ) 中，当放电时丝状放电时，电压一电荷的利萨 如图示一个平行四边形，当放电时辉光放电则只会出现两条平行的电压线。 f a b l elt i m es c a l e sf o rv a r i o u sp l o c e s s t ：s v o l t a g eh a l fc y c l e ( 8 0k h z ) 6u s 表( 1 ) 辉光放电利丝状放电电流脉冲时间宽度的比较 图1 5 大气压辉光放电电压电流图( 左) 大气压丝状放电电压电流图( 以) h 近几年，法国的m a s s i n e s 等研究人员利用电测量、短曝光时间照相和数值 模拟等手段对大气压辉光放电进行了研究7 儿5 0 州，他们发现在第一个电流脉冲峰 后会有一个比较小的电流脉冲峰出现，他们称之为“剩余电流峰”，并将其作为 5 k h z 以上大气压辉光放电的特征。“3 。但是从后来其他研究人员的实验结果来看， 这种“剩余电流峰”被看作是大气压辉光放电的特征是有疑问的。因为只要选择 适当的电压、频率或是气体，都能在放电电流的半个周期上出现一个或几个的“剩 余电流峰”，而这种现象现在被叫做大气压辉光放电的“多峰现象”，同样，在计 算机数值模拟大气压辉光放电也证实了这种现象的存在。在放电电流每半周期 中能有规律的出现单峰或多峰均应是形成辉光放电首先能观察到的现象。 m a s s i n e s 等人提出p e n n i n g 碰撞引起的离化是辉光放电和丝状放电之间变 化的主要机制，只要有足够的预电离电子和亚稳态原子就容易获得辉光放电，而 亚稳态原子的密度主要取决于它们产生和消亡的速度。同本的k a n d o 等人在研究 中国科学技术人学博1 ：论义 第一章绪论 大气压表面放电时也是提出相同的看法，他们认为在电极表面覆盖一层介质薄膜 和引入气流可以在一定程度上抑制亚稳态原子的消亡，从而更容易获得辉光放 电。但是最近e i n d h o v e n 大学的a l d e a 等人对这种解释提出了质疑，他们认为亚 稳念原子非但不利于辉光的形成，而且还起了消极作用，因为亚稳态原子增加了 辉光到弧转变的可能性，预电离电子的密度仍然是产生辉光的关键所在，他们还 发现介质材料的表面特性可能对辉光的产生有着重要影响，因为电子从介质表面 直接发射形成预电离。r o t h 在其著作中利用离子捕获原理来解释大气压辉光放 电：即当所用的工作电压频率高到半个周期内可在极板之间捕获正离子，又不高 到使电子也被捕获时，将在气体| 自j 隙中留下f 空间电荷，下半周期放电受空间电 荷影响所需放电电场明显减低，有利于产生均与的大气压辉光放电。若频率太低， 电子与离子都能达到边界并复合，则要么不能启动放电，要么只能在电极之间形 成丝状放电。若频率太高，电子与离子都在放电中被捕获，形成丝状放电。此外 他还给出了大气压辉光放电等离子体工作频率的关系：j 型u 0 鸟， 刀m i 啤；d 。7 z m ，蜱，d 其中为激励频率，v 邮为外加电压均方根值，m i 、m 。分别为离子、电子的质 量，v 。衍口v 。分别为离子和电子的碰撞频率，d 为电极的间距。最近清华大学的 王新新等人在实验的基础上对r o t h 离子捕获理论提出了质疑。他们在5 m m 的空 气间隙选择工作频率在离子捕获理论所给的正常工作范围内，仍然无法获得大气 压辉光放电而只有丝状放电，他们还利用数值模拟的方法得出结论，对于大气压 下宽度小于5 m m 的空气间隙如果不能设法降低放电场强将不可能获得辉光放 电。 对于低频( 1 1 0 0 k h z ) 大气压辉光放电，按照日本研究人员s k a n a z a w a 等 的观点，在两个电极之间至少有一个电极上应该有介质覆盖。2 0 0 5 年，英国研 究人员成功地利用实验手段在两个裸露电极之间获得了均匀稳定的大气压辉光 放电【57 1 ，而他们实验中所用的电源频率就是在2 0 k h z 2 6 0 k h z 之间，他们发现在 7 0 k h z 以下，预电离发生在外加电压的上升沿，而等离子体的产生发生在外加电 压的下降沿。利用数值模拟这种大气压无介质阻挡的放电，得出这种放电的机理 同大气压介质阻挡放电和射频辉光放电是不同的。 2 0 0 1 年，斯坦福大学的研究人员利用直流获得了空气和氮气的大气压辉光 中国科学技术大学博= 匕论文 第一章绪论 放电，他们并利用发射光谱的诊断手段测出空气大气压辉光放电的电子密度约为 5 1 0 13 c m 3 【5 8 6 0 1 。2 0 0 2 年，比利时和俄罗斯的研究人员，利用伏安特性对针球形 的电极形式的三种空气大气压放电形式：电晕放电、辉光放电和弧放电进行了研 究，并绘出了他们的伏安曲线，见图1 6 。 6 0 5 0 4 0 一 王 薹3 0 ； 2 0 1 0 o 图1 6 针球形电极的空气大气压放电的伏安特性曲线 我国的大气压辉光放电的研究经过近几年的发展已经取得了一定的进展。清 华大学电机系对大气压辉光放电机理方面做了实验和数值模拟方向的研究【6 2 6 3 1 。 中国科学技术大学则在大气压下用多种电极形式进行了放电研究，例如：单针一 平板放电、多针一平板放电、平行平板放电、表面放电、平行双螺旋线放电、大 气压射流等离子体放电等【6 4 。6 7 】，而且还通过发射光谱对几种放电形式的电子密度 和电子温度作了诊断【6 8 】。大连理工大学在大气压辉光放电的应用和数值模拟方 面做了一定的研究【6 6 】，除此以外，还有如：中科院物理所、中科院等离子体所、 河北大学、东华大学等也在从事这方面的研究。 大气压或常压辉光放电是近年来发展起来的一种崭新的等离子体产生技术， 与低气压辉光放电相比，它不需要在真空环境下运行，更方便于工业应用，与大 气压d b d 放电相比，不存在放电细丝，克服了等离子体3 n - c 中对材料表面的烧 蚀或穿孔，与大气压弧光放电相比，它是非平衡等离子体，能耗低，产生一个电 子离子对只需要输入约8 l e v 的能量，不会对工件材料表面带来损伤，它比电晕 放电、d b d 丝状放电有更多的活性成分和浓度。因此这种放电更具有研究和应 用价值。 中冈科学技术人学搏i ：论义 第一章绪论 1 3 大气压射流冷等离子体的研究的历史和现状 1 9 9 2 年，日本研究人员h i d e o m i 等人利用一种新的等离子体发生器( 见图1 7 ) 通过射频电源成功的产生了第一个大气压低温射流等离子体【6 9 】。这种等离子体 装置主要是由两个同心圆柱形电极构成，发生器的内电极是直径l m m 长度2 0 m m 的钨针或不锈钢针，外电极是一个直径2 5 m m 长度为1 5 m m 的不锈钢圆筒。其 中内电极接1 3 5 6 m h z 的射频电源，外电极接地。外电极内壁覆盖一层厚度为 0 5 m m 的玻璃管，等离子体工作气体流速为7 0 s c c m 。工作时，产生的等离子体 面积小于2 m m ，气体温度为4 5 0 0 c 。 r f l 3 5 6 m h 2 i 图1 7 大气压微柬等离子体装置示惫图 同本研究人员把这种等离子体称为大气压微束等离子体( m i c r o b e a m p l a s m a ) 或冷等离子体炬，他们利用这种等离子体( 工作气体为9 9 h e + 1 的 c f 。) 对s i ( 1 0 0 ) 表面进行刻蚀。当射频电源的功率为7 0 w 时，刻蚀的速率为 5 0 a s t 6 9 】。在随后的几年，他们又将这种等离子体用于二氧化硅薄膜沉积、橡胶 表面改性的研究【7 0 圳】。在大气压微束等离子体沉积二氧化硅薄膜的试验中，工作 气体为a r + t e o s ( t e t r a e t h o x y s i l a n e ) 、a r + h 2 + t e o s 或a r + 0 2 + t e o s 时，随着 t e o s 量的增加，沉积速度也随之增加。而且当工作气体不同时，二氧化硅薄膜 表面的光滑程度、含碳量和硬度都有所差别，参见表( 2 ) ；在大气压微束等离 子体对橡胶表面进行了改性的研究中，试验结果表明，随着氧气的流量的增大， 橡胶表面的水的接触角减小而剥脱力增大。扫描电镜照片显示橡胶表面由于含氧 中囝科学技术大学博十论义 第一章绪论 等离子体的刻蚀而变得粗糙，通过红外吸收谱也可以发现在橡胶表面出现了c = o 和o h 这样的含氧基团，而这些结果和低气压氧等离子表面处理的效果很相似。 t a b l el 伽i c a ld e p a s i f f o oc o n d i l i o n s a n dr u i 臼o fs i qf i l md e p o s i t i o n b yt c o l dp l a s m at o r c h , f fp o w c l ：9 0w a tt o w m t c ：3 0 0s c q - r ls u b s t r a t c sw e r en o te x t c 舢y i 蟪b lt h e i rs u r f a c et c m p c t a t u r ei n , r e a z c dt o 灿u t3 0 0 c 筒o c m c a s m c db tt h eb a c ，( s l t 矗c 毒b y 矗t l 妣m o c o u p l e ) 表( 2 ) 大气乐微束等离子体不同j - r ：作气体所沉积二氧化硅薄膜的实验结果 1 9 9 8 年，美国研究人员j y j e o n g 等人研制出一种大气压射流等离子体发生装 置( 见图1 8 ) ，他