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如何通过气体放电产生低温等离子体

日期:2022-09-16 10:40:19

在工业中,有多种装置可以产生等离子体,如产生高温等离子体的“托克马克”装置,能够通过大功率将等离子体加热到4000万摄氏度,能够实现可控核聚变。同时还有多种可以产生低温等离子体的装置,能够广泛应用于各种材料的表面处理。产生低温等离子体的方法有辉光放电、介质阻挡放电、电晕放电、射频放电和微波放电等。

等离子体处理设备

电晕放电等离子体

电晕放电是指在高气压下(一个标准大气压以上),将高压电施加在电极上,其中一个电极曲率半径较小(比如尖端),形成分布不均匀的电场(放电电流一般在微安级别),在电极表面附近有强烈的激发和电离,生成等离子体,并伴有明显的亮光。电晕放电广泛存在于自然界中,但由于电场分布十分不均匀,在工业中难以得到应用。


辉光放电等离子体

辉光放电又分为低气压辉光放电和大气压辉光放电。低气压下容易实现辉光放电,这是一种稀薄气体中的自持放电现象。低气压辉光放电主要用于氖稳压管、氦氖激光器等器件的制造。大气压辉光放电是近年来的研究热点,指的是大气压下气体在电极之间均匀稳定地放电。实际上,大气压辉光放电的产生和维持都比较困难,容易由辉光放电过度到电弧放电,产生高温灼烧。为了获得大面积的大气压辉光放电,已经研究出了多种方法,如等离子阴极放电、毛细管放电、微空心阴极放电、多针电阻电极放电。与低气压辉光放电不同,大气压辉光放电是一种均匀的放电过程,可以产生大面积、均匀的等离子体。在几种气体中,比较适合形成大气压辉光放电的是氦气或氦气和氧气的混合气体。


介质阻挡放电等离子体

介质阻挡放电(DBD)是目前最有前途的等离子处理方法之一,它不仅可以在大气压或低气压下直接操作,即便在高气压下,也可以避免电弧放电。DBD设备构造简单,却能够产生稳定的等离子源。DBD处理过程无需使用真空设备,因此设备成本和运行成本都大为降低,使得等离子处理发展成连续化工艺成为可能。DBD是将绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体交流放电,放电形态较为均匀,充满整个三维空间,而并非集中于局部的某个放电通道。其优势是利用介质对击穿通道进行阻挡,防止了电火花和电弧放电的产生。


微波放电等离子体

微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能,使之电离、激发以产生等离子体的一种气体放电方式,是一种电离程度较DBD、辉光放电更高的放电模式,并同时具有更高的化学活性。微波放电同时也是一种无电极放电,避免了电极材料对等离子体的污染。典型的微波放电应用频率为2450MHz,可用于金刚石气象沉积、甲烷制氢,气体净化、表面蚀刻等方面。微波放电可以在常压或更高的气压下实现。


在以上的几种气体放电形式中,所产生的等离子体均可用于材料的表面处理。等离子处理技术可适用于纤维 、 塑料 、 橡胶以及复合材料、金属、玻璃、陶瓷的表面处理 。