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技术资料

低温等离子体介绍4

 

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104106。电源频率可从50Hz1MHz。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。

 

介质阻挡放电(DBD)常用结构

介质阻挡放电通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating current, AC)高压电源驱动,随着供给电压的升高,系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化,即会由绝缘状态(insulation)逐渐至击穿(breakdown)最后发生放电。当供給的电压比较低时,虽然有些气体会有一些电离和游离扩散,但因含量太少电流太小,不足以使反应区内的气体出现等离子体反应,此时的电流为零。随着供给电压的逐渐提高,反应区域中的电子也随之增加,但未达到反应气体的击穿电压(breakdown voltage; avalanche voltage)时,两电极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞,缺乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加,因此,反应气体仍然为绝缘状态,无法产生放电,此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加,但几乎为零。若继续提高供給电压,当两电极间的电场大到足夠使气体分子进行非弹性碰撞时,气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加,当空间中的电子密度高于一临界值时及帕邢(Paschen)击穿电压时,便产生許多微放电丝(microdischarge)导通在两极之间,同时系統中可明显观察到发光(luminous)的現象此时,电流会随着施加的电压提高而迅速增加。
    
在介质阻挡放电中,当击穿电压超过帕邢(Paschen)击穿电压时,大量随机分布的微放电就会出现在间隙中,这种放电的外观特征远看貌似低气压下的辉光放电,发出接近兰色的光。近看,则由大量呈现细丝状的细微快脉冲放电构成。只要电极间的气隙均匀,则放电是均匀、漫散和稳定的。这些微放电是由大量快脉冲电流细丝组成,而每个电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的,放电通道基本为圆柱状,其半径约为0.1~0.3mm,放电持续时间极短,约为10~100ns,但电流密度却可高达0.1~1kA/cm2,每个电流细丝就是一个微放电,在介质表面上扩散成表面放电,并呈现为明亮的斑点。这些宏观特征会随着电极间所加的功率、频率和介质的不同而有所改变。如用双介质并施加足够的功率时,电晕放电会表现出无丝状、均匀的兰色放电,看上去像辉光放电但却不是辉光放电。这种宏观效应可通过透明电极或电极间的气隙直接在实验中观察到。当然,不同的气体环境其放电的颜色是不同的。
    
虽然介质阻挡放电已被开发和广泛的应用,可对它的理论研究还只是近20年来的事,而且仅限于对微放电或对整个放电过程某个局部进行较为详尽的讨论,并没有一种能够适用于各种情况DBD的理论。其原因在于各种DBD的工作条件大不相同,且放电过程中既有物理过程,又有化学过程,相互影响,从最终结果很难断定中间发生的具体过程。
    
由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子,如OHONO等,它们的化学性质非常活跃,很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。因而可利用这些自由基的特性来处理VOCs,在环保方面也有很重要的价值。另外,利用DBD可制成准分子辐射光源,它们能发射窄带辐射,其波长覆盖红外、紫外和可见光等光谱区,且不产生辐射的自吸收,它是一种高效率、高强度的单色光源。在DBD电极结构中,采用管线式的电极结构还可制成臭氧O3发生器。现在人们已越来越重视对DBD的研究与应用。

 

 

物 质

介电系数

绝缘强度(kV/mm)

Vacuum

Air

Amber

Bakelite

Fused Quartz

Neoprene

Nylon

Paper

Polyethylene

Polystyrene

Porcelain

Pyranol Oil

Pyrex Glass

Ruby Mica

Silicone Oil

Strontium Titanate

Teflon

Titanium Dioxide

Water (20℃)

Water (25℃)

1.00000

1.00054

2.7

4.8

3.8

6.9

3.4

3.5

2.3

2.6

6.5

4.5

4.5

5.4

2.5

233

2.1

100

80.4

78.5

Infinity

0.8

90

12

8

12

14

14

50

25

4

12

13

160

15

8

60

6

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常见物质的介电系数和绝缘强度

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