低温等离子体技术

低温等离子体技术

等离子体通常被简单定义为部分电离的气体,它由激发态的原子和分子、正负离子、自由基、电子、光子等 组成,整体表现出电中性。等离子体一般分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体。平衡态等离子体也称为热等离子体,它的特点是内部所有的粒子,都达到了热平衡的状态。实际上,要使电子和离子以及原子达到热平衡,必须具有非常高的压力和温度。热等离子体的典型事例是恒星。显然,热等离子体是不适宜用来处理材料的,因为地球上没有哪种材料能够耐受热等离子体的温度。与热等离子体相比,低温等离子体的温度仅在室温程度或者稍高,电子具有比离子和原子更高的温度,一 般能够达到 0.1~10 个电子伏。而且由于气体的压力低, 电子与离子之间的碰撞很少,因而不能达到热力学平 衡。由于低温等离子体的温度在室温范围,因而可以在材料领域内获得应用。

低温等离子体通常通过气体放电的形式获得。根据放电形式的不同,低温等离子体可以分为下述几种:

辉光放电(GlowDischarge)   

辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge),工作压力一般都低于10mbar,其构造是在封闭的容器内放置两个平行的电极板,利用电子将中性原子和分子激发,当粒子由激发态(excited state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示),荧光灯的发光即为辉光放电。因此,实验时若发现等离子的颜色有误,通常代表气体的纯度有问题,一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具,但因其受低气压的限制,工业应用难于连续化生产且应用成本高昂,而无法广泛应用于工业制造中。到2013年止的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等  。

电晕放电(CoronaDischarge)

气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近,由于局部电场强度超过气体的电离场强,使气体发生电离和激励,因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮,并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式,也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段 。  

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)

介质阻挡放电(DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作,通常的工作气压为10~10。电源频率可从50Hz至1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中,当两电极间施加足够高的交流电压时,电极间的气体会被击穿而产生放电,即产生了介质阻挡放电。在实际应用中,管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中,而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中 。

用于产生等离子体的气体有空气、氧气、氮气、氨气、氩气等,其中以氧气最为常见。

真空等离子清洗机

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