介质阻挡放电原理-大气压非平衡等离子体射流

TheodoseduMoncel于1853年首次发现，可以在由两个玻璃板隔开的两个导电板之间产生放电[61]。为了驱动放电，他使用了Ruhmkorff线圈，该线圈是一个感应线圈，可以从低压直流（direct current，DC）电源产生高交流（alternating current，AC）电压。

继Theodose du Moncel的发现之后，Werner von Siemens在1857年报道了设计和应用介质阻挡放电（DBD）产生臭氧的方法[62]。Siemens的DBD装置是圆柱形的几何形状，他采用锡箔作为电极，玻璃用作电介质。然后直到20世纪30年代，VonEngel用该方法产生大气压非平衡等离子体，他通过水冷控制阴极的温度来产生这种等离子体[63]。又过了大约50年后（20世纪80年代末到90年代初），人们才做了进一步研究，并通过使用DBD最终成功地产生了体积较大的大气压非平衡等离子体。参与这些早期工作的人员主要有Kanazawa等人、Massines等人和Roth等人[64～66]。这些研究人员主要使用的是平板结构，使用的电源在千赫兹频率范围内，电压幅值为千伏的正弦电压。研究发现，当采用脉冲宽度在纳秒到微秒范围内的快速上升时间脉冲电压时，DBD的性能得到了极大的改善[67～69]。这些脉冲优先将施加的能量耦合给电子，并提供一种控制电子能量分布函数（electron energy distribution function，EEDF）的方法，通过控制EEDF可以增强等离子体化学性质[68～70]。DBD作为低温等离子体源已经在各种等离子体应用中广泛使用[71～74]。

产生低温大气压非平衡等离子体的最广泛使用的放电方式之一就是DBD。几十年来，研究者对DBD的原始方法进行了改进[64～66，75～83]。DBD使用介质材料至少覆盖一个电极。电极由几千伏的千赫兹频率交流电压驱动。图1.2.1给出了一些典型的介质阻挡放电示意图。在过去的几十年中，DBD已广泛用于材料处理中，例如改变材料的亲水性或疏水性、表面改性、流量控制、产生臭氧[76，84～85]，以及自20世纪90年代中期以来在生物医学中应用[71～74]。

DBD通常会产生具有丝状结构的等离子体，从而导致材料处理不均匀。但是，自20世纪80年代后期以来，产生非丝状或弥散性等离子体的DBD的研究取得了很好的结果。已发表的一些报告显示，在某些条件下，DBD可以在大气压下产生弥散的、相对均匀的等离子体[64～66，77～83]。

DBD通常采用正弦电压激励，电压的幅值通常在1～30kV，频率为千赫兹范围。电极装置通常包含一个空腔，以允许引入和选择放电气体。当气体被击穿开始放电时，电荷会累积在电介质表面。这些累积的表面电荷产生一个反向电场，该电场抵消了外部施加的电场，从而导致放电停止。尽管通常DBD会产生丝状等离子体，但在某些特定条件下也可以产生均匀等离子体。覆盖电极的介质材料表面的电荷积累在维持等离子体的非平衡性质方面起着至关重要的作用。(www.xing528.com)

图1.2.1　不同结构的介质阻挡放电示意图

Kanazawa等人最初提出了产生弥漫等离子体的操作条件[64]如下：必须将氦气用做工作气体，施加电压的频率必须在千赫兹范围内。然而，后来的研究者发现能够用其他工作气体，在不同的频率条件下产生弥漫等离子体[79～83]。Massines等人提出了导致弥散等离子体的机理，即电流脉冲之间的种子电子和亚稳态原子导致低电场条件下的气体击穿。这些种子粒子可以导致汤森放电或辉光放电，具体哪一种由气体的种类决定。对于氦气，他们认为大于106cm-3的种子电子足以在低电场条件下产生放电[78]。种子电子是前一个放电脉冲遗留的电子和/或彭宁电离产生的电子。对于氮气，亚稳态在维持脉冲之间放电起主要作用。在这种情况下，电介质的表面在决定亚稳态原子的浓度方面起着重要作用。