O2的等离子体讲解

等离子体和气体有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子也有很多独特的性质：带电的粒子互相之间没有净库伦力的牵引；⑵导电性能优，可利用这一特性进行磁场发电；⑶粒子之间不存在磁力相吸；⑷在电离气体过程中产生热效应。且相比于一般气体，等离子体组成的粒子间相互作用也大很多，是具有高位能动能的气体团。等离子体包含三种不一样的组成微粒：没有发生电离的原子、活性很强的自由电子、带正电的离子。高温等离子体:前者电离程度比较高，电离产生的电子和离子温度也较高，被定义为“高温等离子体”。高温等离子体几乎能全部电离，各粒子间的温度相同，整体呈现出热力学平衡的状态，温度能达到5000r以上，主要用来研究受控热核反应；低温等离子体(也称非热等离子体):而后者的电离程度较轻，在放电过程中虽然温度很高，但离子温度远远比电子温度低，总体形态呈现出低温状态，后者非平衡等离子体，其与现代工业的生产关系也很密切，如提炼冶金技术，材料表面的处理所以称之为'低温等离子体”。低温等离子体电离出的粒子间温度不全相同，电子温度也大大高于离子温度，整个体系呈现出于热力学非平衡状态。我们研究接触的气体放电所产生的等离子体都归类于技术，生产臭氧技术等均采用了等离子体技术，而该项技术近几十年在污染物处理方面表现出来的卓越成绩与巨大前景更引起了广大学者的关注，不仅运作效率高，而且节能环保。低温等离子放电方法：电晕放电；火花放电；微波放电；辉光放电、介质阻挡放电：绝缘介质插入放电空间的一种气体放电介质可以覆盖在电极上或放置于放电的空间之中。有多种电极结构的设计方式，既可以在放电电极间充满特定的工作气体，用绝缘介质将一个或所有电极覆盖，也可以直接将介质放置于放电空间，也有采用填充颗粒状介质的方式，向电极施于足够大的交流电压，两电极间的气体迅速被击穿并电离出大量电子，介质阻挡放电过程便由此开始。介质阻挡放电具有如下特点：可以发生的气压范围很宽，可以在较大的区域内随机形成等离子体区，所以允许有较大的气体流量；放电形态分布于放电空间内，稳定，无声，不会局域于某个放电通道上，形成类似于辉光的状态，发出蓝色的光焰；介质阻挡放电由大量呈现细丝状的快脉冲放电构成，放电过程能够通过改变外界条件和电源特性来控制，如反应时外界压强、电源压强、外界温度、介质性能、介质安放方式，简单易行；介质的存在阻断了击穿通道的形成，不会形成火花或者电弧；适用于化学反应，系统反应的气体从供给的外部电压中得到能量，由最初的绝缘状态到逐渐放电至最后被击穿，气体的化学分子被破坏，化学键裂开，能电离产生许多活跃的自由基，这些自由基又会很快与其它的分子、原子或其它自由基反应生成稳定的分子或原子，整个过程中涉及到很多种化学反应。

化学反应动力学研究化学反应过程的反应速率和反应机理的物理化学分支学科，揭示化学反应机理，并研究物质的结构和反应能力之间的关系，最终目的是为了控制化学反应过程，以满足生产和科学技术的要求。在化学动力学的理论基础上编制数值模拟程序进行求解是研究中经常采用的有效手段，通过化学动力学模型可以得到与实验相符的结果，对探究处理机理和预测处理效果十分有用。介质阻挡放电的主要特征参数：气压强度（P）10A5Pa电场强度（E） 0.1~100Kv/cm电场强度（E/n） 100~200Td微放电寿命（t） 1~10ns微放电电流通道半径（r） 0.1~0.2mm每个微放电中输运的电荷量（q） 1~10A-9C电流密度（j） 100~1000A/cm2电子密度（ne）1014~1015cm3电子平均能量（Te） 1~10ev能量密度（J） 10-4~10-2J/cm3电离度（X） 10-4周围气体温度（Tg） 300K⑥ ⑥ W⑥ ⑥ W图Z.1典型的介质阻挡放电装置结构图（注！1-高压电极；2-介质；3-接地电极；4-交流高电压发生器）

Ground^EyirQWRFFeE 炉火心 RF *娜5Su|?pOrl: Elecirode p|^teSupgn(b)该反应很复杂，这就需要我们正确择选合理的化学反应式，建立可靠的反应动力学模型TABLE1:ReaclioDSandTheirKineticConsMii话reacriDEisrarecomtaiits(an1iloIecii]&Je'')n-efRiO+0+M—02+M5.2M10-23RiO+6+M—O]+M1.S5k24RsQ一小一61.5x10-1[-atp(-2250/7)23EUO]+M—0+On+M7.26x 现23RsOifAj)4-He—Oi+Hb3.0x10~1125RfiOifAj)4- 2Oi5.0mlOf-eipL叫3门26R：63J+QP+。1.65x](r»26R« 一。十皿5.01k10-|L-e:p(-2853.\nISON心—Ol祯3.7xIE27%。收与)一％pg-51.S1k1『|%[273叫〕瘴・*丁《＞1)2BR|LO, +He—Oj+H&l.Gx10-1?25Ri2 -Oj—2Oil.Gx10-^27Ru01('^+O-O2-O3.0x1时29Ru6(耳七十5—。一［珏1.5kIO-1129Ris6｛宇一s+m，0.14t27在放电的条件下共生成4总活性物质1.O32.O(3P)3.O2(1Ag)4.02(1"))条件：电磁频率能量密度RF6.1-30.5W/cm3neutraltemperature(中性温度？原子温度？)100土40C氧氦总压 600Torr原本的1Torr是指“将幼细直管内的水银顶高一毫米之压力”，而正常之大气压力可以将水银升高760mm，故此将ITorr定为大气压力的1/760倍。氧分压(0.5to5.0)*10人17cm_3

产生的物质:30ms(0.2to1.0)*10人16cm-3O(3P)+02(1Ag) 0.5ms(O+O3=2O2)30ms(0.2to2.0)*10A15cm-3 O2(1Zg+) 0.1ms(0.1to4.0)*10A15cm-3 O3.检测方法：O的浓度与polyimide的蚀刻率有关O3紫外线吸收光谱测其浓度Jeongetal.1—PinhdeHffArLampPlnhdePlasrHSLens8CCfTipuWRFPcwer何Figure2.Ihagramoftheapparatususedfor(a)time-resolvedPinhdeHffArLampPlnhdePlasrHSLens8CCfTipuWRFPcwer何Figure2.Ihagramoftheapparatususedfor(a)time-resolvedUVabsorptionandopticalemissionspectroscopy：and(b)time-averagedinfiaredEEUssionmpectroacQpyqvithoutiDtHferencefrombackgroundemissionfromtheplasma.5.O2(1Zg)O2(15.O2(1Zg)O2(1Ag)O(3P)用发射光谱来测其浓度变化rncc)AMSUCDlu-仁。一ss-elu140□1浅。 rncc)AMSUCDlu-仁。一ss-elu140□1浅。 1240 1260 1280 1300 1320 1340Wavelength(nm)Figure3.InfraredemissionspectnnnoftheplasmaandtheaftergloivforoperatioDat24.4W-'cin3.6.0Torrof住and120;C.___i2* Plasma Afterglow ►l^.£TofT~11.4Torr-7.6Torr-5.3Torr3.0Torri，STorr iQ20 40' 60B0100I2ODistance(mm)Figure4.Thedependenceoftheozoneconicentratioiionaxialpcsitkm;uidCKygjenpartialpreisiirefbranappliedpowerof24.4W'cm3anda.gjastemperatineof120°C.相对于不同的进口氧分压，流动距离55mm,是一个稳定的数值。都有很快的增加。到达一个新的稳态。得知：臭氧的生成与该反应有关。101b5do1伊flJI(mEu)uonmulouuoo10'1砰101b5do1伊flJI(mEu)uonmulouuoo10'1砰io-'10s 101 1O?Time(ms)Distance{mm)lOn W 10sFigure5.Thed甲aicknceoftheO.Oz[A》OjandO5concentratiaiuontimeanddistanceforinitialplianaoperiticiDat24.4W-'cm5,6.0TonofQj,and120°C(symbolsarethe舛erimeutaldata,viM?踮thelinesare±einwielpnedictioD).10p后1.3*10A17cm-3稳态O26.0*10A15cm-3O等价于2%O25.0*10A15cm-3O2(A)等价于3.5%O21.0*10A15cm-3O2(Z)2.5*10A15cm-3O36.0托，120度24.4W/cm3时间与各活性组分间关系放电后O+O2=O3(5*10A15cm-3)3ms后O(1.0*10A15cm-3)大量活性物质很快衰退o1JITlpmpBraeffficeooQoD432100 颂300 400500BOGRFFWerWFigure&TheeffectoftlieRFpcw3onthecoucentratiamofOatoms(a),Qj[AJ(Q),O；。弓+)〔*),O,(Cf),andten^mrurE(•)at6.0TonOj.'RFFWer㈣Figure&TheeffectoftheRFpow3onthecoucentratiamofOatomsOj[AJ(C),O2?习+){.)_OiO,andtenq3CTialiire(*)at60TonOG-'OxPRF1.9,O2(10g)xPRF0.8,O2(『g+)xPRF1.5,O3xPRF-0.2.1OIJI2 3 4b61OIJI2 3 4b67&910O2Part慎IPressure(Torr)J.Phvs.Chem.A,Vol104,No.风20008031MMo1o'(UH)U£U」C8SOOEigiire7.TheeffectoftheaKYgenpressurecmthecancaiiratioiisofOarcms0).O,fAJ(O),0^0V)(*)-血(P)at24.4WEand120*C.OxPO20.6, O2(10g)xPO20.5,O2(1ag+)