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低溫等離子體協(xié)同觸媒技術(shù)應(yīng)用于廢氣治理污水治理

基本概念

    等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。它由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子以及光子。
    事實(shí)上等離子體就是由上述大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體，也就是高度電離的氣體。無論是部分電離還是*電離，其中的負(fù)電荷總數(shù)等于正電荷總數(shù)，所以叫等離子體。

等離子體的分類

1、按等離子體焰溫度分：
（1）高溫等離子體：溫度相當(dāng)于108~109 K*電離的等離子體，如太陽、受控?zé)岷司圩兊入x子體。
（2）低溫等離子體：
熱等離子體：稠密高壓（1大氣壓以上），溫度103~105K，如電弧、高頻和燃燒等離子體。
冷等離子體：電子溫度高（103~104K）、氣體溫度低，如稀薄低壓輝光放電等離子體、電暈放電等離子體、DBD介質(zhì)阻擋放電等離子體、索梯放電等離子體等。
2、按等離子體所處的狀態(tài)：
（1）平衡等離子體：氣體壓力較高，電子溫度與氣體溫度大致相等的等離子體。如常壓下的電弧放電等離子體和高頻感應(yīng)等離子體。
（2）非平衡等離子體：低氣壓下或常壓下，電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體溫度的等離子體。如低氣壓下DC輝光放電和高頻感應(yīng)輝光放電，大氣壓下DBD介質(zhì)阻擋放電等產(chǎn)生的冷等離子體。

什么是低溫（冷）等離子體？

    冰升溫至0℃會(huì)變成水，如繼續(xù)使溫度升至100℃，那么水就會(huì)沸騰成為水蒸氣。隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會(huì)呈現(xiàn)出固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。那么對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時(shí)，將會(huì)有什么新變化呢? 由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物（蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài)）。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)，即等離子體態(tài)(plasma)。因?yàn)殡婋x過程中正離子和電子總是成對(duì)出現(xiàn)，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等，總體來看為準(zhǔn)電中性。反過來，我們可以把等離子體定義為：正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。 
    從剛才提到的微弱的蠟燭火焰，我們可以看到等離子體的存在，而夜空中的滿天星斗又都是高溫的*電離等離子體。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈(M·Saha，1893-1956)的計(jì)算，宇宙中的99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。而我們居住的地球倒是例外的溫度較低的星球。此外，對(duì)于自然界中的等離子體，我們還可以列舉太陽、電離層、極光、雷電等。在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡便，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。在自然和人工生成的各種主要類型的等離子體的密度和溫度的數(shù)值，其密度為106（單位：個(gè)／m3）的稀薄星際等離子體到密度為1025的電弧放電等離子體，跨越近20個(gè)數(shù)量級(jí)。其溫度分布范圍則從100K的低溫到超高溫核聚變等離子體的108-109K（1~10億度）。 溫度軸的單位eV(electron volt)是等離子體領(lǐng)域中常用的溫度單位，1eV=11600K。
    通常，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子(包括不帶電荷的粒子如原子或分子以及原子團(tuán))等三種粒子。設(shè)它們的密度分別為ne,ni,nn，由于準(zhǔn)電中性，所以電離前氣體分子密度為ne≈nn。于是，我們定義電離度β=ne/(ne+nn)，以此來衡量等離子體的電離程度。日冕、核聚變中的高溫等離子體的電離度都是100%，像這樣β=1的等離子體稱為*電離等離子體。電離度大于1%(β≥10-2)的稱為強(qiáng)電離等離子體，像火焰中的等離子體大部分是中性粒子(β<10-3 )，稱之為弱電離等離子體。
    若放電是在接近于大氣壓的高氣壓條件下進(jìn)行，那么電子、離子、中性粒子會(huì)通過激烈碰撞而充分交換動(dòng)能，從而使等離子體達(dá)到熱平衡狀態(tài)。若電子、離子、中性粒子的溫度分別為了Te，Ti，Tn，我們把這三種粒子的溫度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的熱平衡等離子體稱為熱等離子體(thermal plasma)，在實(shí)際的熱等離子體發(fā)生裝置中，陰極和陽極間的電弧放電作用使得流入的工作氣體發(fā)生電離，輸出的等離子體呈噴射狀，可稱為等離子體炬(plasma jet)或等離子體噴焰(plasma torch)等。
    另一方面，數(shù)百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，電子在與離子或中性粒子的碰撞過程中幾乎不損失能量，所以有Te>>Ti , Te>>Tn。我們把這樣的等離子體稱為低溫等離子體(cold plasma)。當(dāng)然，即使是在高氣壓下，低溫等離子體也可以通過不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式如電暈放電（corona discharge)、介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)或滑動(dòng)電弧放電(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)來生成。大氣壓下的輝光放電技術(shù)目前也已成為世界各國的研究熱點(diǎn)。可產(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機(jī)理尚不清楚，在高氣壓下等離子體的輸運(yùn)特性的研究也剛剛起步，現(xiàn)已形成新的研究熱點(diǎn)。(To top)

低溫等離子體的產(chǎn)生方法

輝光放電 電暈放電 介質(zhì)阻擋放電 射頻放電 滑動(dòng)電弧放電 射流放電  大氣壓輝光放電 次大氣壓輝光放電

輝光放電(Glow Discharge)

    輝光放電屬于低氣壓放電(low pressure discharge)，工作壓力一般都低于10mbar，其構(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)放置兩個(gè)平行的電極板，利用電子將中性原子和分子激發(fā)，當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài)(excited state)降回至基態(tài)(ground state)時(shí)會(huì)以光的形式釋放出能量。電源可以為直流電源也可以是交流電源。每種氣體都有其典型的輝光放電顏色(如下表所示)，熒光燈的發(fā)光即為輝光放電。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)若發(fā)現(xiàn)等離子的顏色有誤，通常代表氣體的純度有問題，一般為漏氣所至。輝光放電是化學(xué)等離子體實(shí)驗(yàn)的重要工具，但因其受低氣壓的限制，工業(yè)應(yīng)用難于連續(xù)化生產(chǎn)且應(yīng)用成本高昂，而無法廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中。目前的應(yīng)用范圍僅局限于實(shí)驗(yàn)室、燈光照明產(chǎn)品和半導(dǎo)體工業(yè)等。(To top)

部分氣體輝光放電的顏色

部分氣體的輝光放電實(shí)例

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電暈放電(Corona Discharge)

    氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電。是zui常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很大的電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而出現(xiàn)電暈放電。發(fā)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對(duì)穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期發(fā)展階段。 
　　電暈放電的形成機(jī)制因電極的極性不同而有區(qū)別，這主要是由于電暈放電時(shí)空間電荷的積累和分布狀況不同所造成的。在直流電壓作用下，負(fù)極性電暈或正極性電暈均在電極附近聚集起空間電荷。在負(fù)極性電暈中，當(dāng)電子引起碰撞電離后，電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離電極的空間,并形成負(fù)離子,在靠近電極表面則聚集起正離子。電場繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)，正離子被吸進(jìn)電極，此時(shí)出現(xiàn)一脈沖電暈電流，負(fù)離子則擴(kuò)散到間隙空間。此后又重復(fù)開始下一個(gè)電離及帶電粒子運(yùn)動(dòng)過程。如此循環(huán)，以致出現(xiàn)許多脈沖形式的電暈電流，電暈放電可以在大氣壓下工作，但需要足夠高的電壓以增加電暈部位的電場。一般在高壓和強(qiáng)電場的工作條件下，不容易獲得穩(wěn)定的電暈放電，亦容易產(chǎn)生局部的電弧放電(arc)。為提高穩(wěn)定性可將反應(yīng)器做成非對(duì)稱(asymmetric)的電極形式（如下圖所示）。電暈放電反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要參考電源的性質(zhì)而有所不同，有直流電暈放電(DC corona)和脈沖式(pulsed corona)電暈放電。利用電暈放電可以進(jìn)行靜電除塵、污水處理、空氣凈化等。地面上的樹木等物體在大地電場作用下的電暈放電是參與大氣電平衡的重要環(huán)節(jié)。海洋表面濺射水滴上出現(xiàn)的電暈放電可促進(jìn)海洋中有機(jī)物的生成，還可能是地球遠(yuǎn)古大氣中生物前合成氨基酸的有效放電形式之一。針對(duì)不同應(yīng)用目的研究，電暈放電是具有重要意義的技術(shù)課題。(To top)

介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)

    介質(zhì)阻擋放電(DBD)是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電。介質(zhì)阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為104～106。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋,也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。在實(shí)際應(yīng)用中，管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。(To top)

介質(zhì)阻擋放電(DBD)常用結(jié)構(gòu)

    介質(zhì)阻擋放電通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating current, AC)高壓電源驅(qū)動(dòng)，隨著供給電壓的升高，系統(tǒng)中反應(yīng)氣體的狀態(tài)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段的變化，即會(huì)由絕緣狀態(tài)(insulation)逐漸至擊穿(breakdown)zui后發(fā)生放電。當(dāng)供給的電壓比較低時(shí)，雖然有些氣體會(huì)有一些電離和游離擴(kuò)散，但因含量太少電流太小，不足以使反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氣體出現(xiàn)等離子體反應(yīng)，此時(shí)的電流為零。隨著供給電壓的逐漸提高，反應(yīng)區(qū)域中的電子也隨之增加，但未達(dá)到反應(yīng)氣體的擊穿電壓(breakdown voltage; avalanche voltage)時(shí)，兩電極間的電場比較低無法提供電子足夠的能量使氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞，缺乏非彈性碰撞的結(jié)果導(dǎo)致電子數(shù)不能大量增加，因此，反應(yīng)氣體仍然為絕緣狀態(tài)，無法產(chǎn)生放電，此時(shí)的電流隨著電極施加的電壓提高而略有增加，但幾乎為零。若繼續(xù)提高供給電壓，當(dāng)兩電極間的電場大到足夠使氣體分子進(jìn)行非彈性碰撞時(shí)，氣體將因?yàn)殡x子化的非彈性碰撞而大量增加，當(dāng)空間中的電子密度高于一臨界值時(shí)及帕邢(Paschen)擊穿電壓時(shí)，便產(chǎn)生許多微放電絲(microdischarge)導(dǎo)通在兩極之間，同時(shí)系統(tǒng)中可明顯觀察到發(fā)光(luminous)的現(xiàn)象此時(shí)，電流會(huì)隨著施加的電壓提高而迅速增加。
    在介質(zhì)阻擋放電中，當(dāng)擊穿電壓超過帕邢(Paschen)擊穿電壓時(shí)，大量隨機(jī)分布的微放電就會(huì)出現(xiàn)在間隙中，這種放電的外觀特征遠(yuǎn)看貌似低氣壓下的輝光放電，發(fā)出接近蘭色的光。近看，則由大量呈現(xiàn)細(xì)絲狀的細(xì)微快脈沖放電構(gòu)成。只要電極間的氣隙均勻，則放電是均勻、漫散和穩(wěn)定的。這些微放電是由大量快脈沖電流細(xì)絲組成，而每個(gè)電流細(xì)絲在放電空間和時(shí)間上都是無規(guī)則分布的，放電通道基本為圓柱狀，其半徑約為0.1~0.3mm，放電持續(xù)時(shí)間極短，約為10~100ns，但電流密度卻可高達(dá)0.1~1kA/cm2，每個(gè)電流細(xì)絲就是一個(gè)微放電，在介質(zhì)表面上擴(kuò)散成表面放電，并呈現(xiàn)為明亮的斑點(diǎn)。這些宏觀特征會(huì)隨著電極間所加的功率、頻率和介質(zhì)的不同而有所改變。如用雙介質(zhì)并施加足夠的功率時(shí)，電暈放電會(huì)表現(xiàn)出“無絲狀”、均勻的蘭色放電，看上去像輝光放電但卻不是輝光放電。這種宏觀效應(yīng)可通過透明電極或電極間的氣隙直接在實(shí)驗(yàn)中觀察到。當(dāng)然，不同的氣體環(huán)境其放電的顏色是不同的。
    雖然介質(zhì)阻擋放電已被開發(fā)和廣泛的應(yīng)用，可對(duì)它的理論研究還只是近20年來的事，而且于對(duì)微放電或?qū)φ麄€(gè)放電過程某個(gè)局部進(jìn)行較為詳盡的討論，并沒有一種能夠適用于各種情況DBD的理論。其原因在于各種DBD的工作條件大不相同，且放電過程中既有物理過程，又有化學(xué)過程，相互影響，從zui終結(jié)果很難斷定中間發(fā)生的具體過程。
    由于DBD在產(chǎn)生的放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的自由基和準(zhǔn)分子，如OH、O、NO等，它們的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，很容易和其它原子、分子或其它自由基發(fā)生反應(yīng)而形成穩(wěn)定的原子或分子。因而可利用這些自由基的特性來處理VOCs，在環(huán)保方面也有很重要的價(jià)值。另外，利用DBD可制成準(zhǔn)分子輻射光源，它們能發(fā)射窄帶輻射，其波長覆蓋紅外、紫外和可見光等光譜區(qū)，且不產(chǎn)生輻射的自吸收，它是一種率、高強(qiáng)度的單色光源。在DBD電極結(jié)構(gòu)中，采用管線式的電極結(jié)構(gòu)還可制成臭氧O3發(fā)生器?，F(xiàn)在人們已越來越重視對(duì)DBD的研究與應(yīng)用。(To top)

介質(zhì)阻擋放電(DBD)實(shí)例

常見物質(zhì)的介電系數(shù)和絕緣強(qiáng)度(To top)

射頻低溫等離子體放電（Radio Frequency Plasma Discharge)

    射頻低溫等離子體是利用高頻高壓使電極周圍的空氣電離而產(chǎn)生的低溫等離子體。由于射頻低溫等離子的放電能量高、放電的范圍大，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解中。射頻等離子可以產(chǎn)生線形放電，也可以產(chǎn)生噴射形放電(To top)

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滑動(dòng)電弧放電(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)產(chǎn)生低溫等離子體

    滑動(dòng)電弧放電等離子體通常應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解。下圖中的滑動(dòng)電弧由一對(duì)像圖中所示的延伸弧形電極構(gòu)成。電源在兩電極上施加高壓引起電極間流動(dòng)的氣體在電極zui窄部分電擊穿。一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提供足以產(chǎn)生強(qiáng)力電弧的大電流，電弧在電極的半橢圓形表面上向右膨脹，不斷伸長直到不能維持為止。電弧熄滅后重新起弧，周而復(fù)始。其視覺觀看滑動(dòng)電弧放電等離子體就像火焰一般，但其平均溫度卻比較低即使將餐巾紙放在等離子體焰上也不會(huì)燃燒。它又被稱為“索梯”(Jacog's Ladder)。滑動(dòng)電弧放電產(chǎn)生的低溫等離子體為脈沖噴射，但可以得到比較寬的噴射式低溫等離子體炬(plasma torch)。

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射流低溫等離子放電（Jet Discharge)

幾十年來，等離子體炬（plasma torch）的個(gè)工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)*，例如，氬弧焊、空氣等離子體切割機(jī)和等離子體噴涂等。這些設(shè)備中的核心部件通常稱為等離子體炬，其等離子體中心溫度達(dá)數(shù)千度，是"熱"等離子體。
近年來，人們?yōu)榱诉M(jìn)行有機(jī)材料，例如橡膠表面進(jìn)行處理，以改善表面附著力，將等離子體炬的技術(shù)低溫化和小型化，將"熱弧"變?yōu)?冷弧"研制成射流低溫等離子表面處理設(shè)備，噴槍出口溫度僅數(shù)百攝氏度，甚至更低，并且已經(jīng)開始向家用電器和汽車工業(yè)推廣應(yīng)用。有些高技術(shù)公司，例如中國的CORONA Lab.將這種技術(shù)產(chǎn)品化，可以用于高速在線處理。
1. 大氣射流低溫等離子表面處理的原理
流經(jīng)冷弧等離子體射流槍的空氣氣流可以產(chǎn)生包括大量的氧原子在內(nèi)的氧基活性物質(zhì)，氧基等離子體照射材料表面，可以使附著于材料表面上的有機(jī)污染物"C"元素的分子分離，并變成二氧化碳后被清除；同時(shí)可以提高接觸性能，從而可以提高接合強(qiáng)度和可靠性。
2. 大氣射流低溫等離子表面處理的工業(yè)應(yīng)用
a) 不銹鋼薄板對(duì)焊處的焊前處理
不銹鋼薄板對(duì)焊在工業(yè)中應(yīng)用很普遍，例如太陽能熱水器的內(nèi)桶就是用0.4mm的不銹鋼薄板卷成圓筒對(duì)焊制成。為了達(dá)到焊接要求，必須對(duì)焊接處進(jìn)行必要的清洗。目前的清洗方法是濕法－人工用化學(xué)清洗劑擦洗，清洗成本高，有污染，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
大氣射流低溫等離子清洗技術(shù)是干法，運(yùn)用于薄板對(duì)焊的前處理，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工用化學(xué)清洗劑擦拭，降低了清洗成本，可提高焊接質(zhì)量，減少對(duì)環(huán)境的污染，可實(shí)現(xiàn)焊接區(qū)清洗的自動(dòng)化。
b) 塑料板的表面處理
塑料類，例如木塑是可以代用木材的新型材料，但表面油漆相當(dāng)不易，這就大大限制了應(yīng)用范圍。如果用化學(xué)方法處理，價(jià)格高，污染大。為此，用大氣射流低溫等離子處理則材料表面會(huì)發(fā)生明顯的變化：顏色略有變淺，反光度降低，呈亞光性；用手觸摸可以感覺到表面略有粗糙；使噴漆的附著性能大大增強(qiáng)。
經(jīng)等離子體處理前后的附著力可以測試。測試方法：用劃刀在待測部件表面劃出垂直井字結(jié)構(gòu)劃痕，用軟毛刷輕刷劃線表面去掉碎沫。用透明膠帶貼于劃線上，膠帶與樣品間應(yīng)無氣泡，保持1～2分鐘；以約60度角度恒定速度將膠帶撕起。觀察劃線及正方形的完整度以判斷附著力的大小。
c) 橡膠制品的處理
橡膠在我們?nèi)粘Ｉ钪写罅渴褂茫缙嚨拈T封條。它的表面須要上漆或織絨。如果不經(jīng)過低溫等離子處理，則不易粘接。如果用化學(xué)清洗，既是離線的，又會(huì)污染環(huán)境。用在線等離子體處理是理想的解決辦法。
d) 用于玻璃和金屬平板處理
空氣等離子體射流可以處理玻璃和金屬表面，不但有效地清除了來自于大氣中浮游灰塵產(chǎn)生的有機(jī)污染物，而且改變了表面的性能且持續(xù)性足夠長。因而可以提高產(chǎn)品的接合強(qiáng)度。此外，常壓等離子體清洗還可以用于有機(jī)材料和金屬材料表面。

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大氣壓下輝光放電(APGD)

    經(jīng)過近20年的發(fā)展，低氣壓低溫等離子體已取得了很大進(jìn)展。但由于其運(yùn)行需抽真空、設(shè)備投資大、操作復(fù)雜、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，限制了它的廣泛應(yīng)用。顯然，于工業(yè)生產(chǎn)的是大氣壓下放電產(chǎn)生的等離子體。大氣壓下的電暈放電和介質(zhì)阻擋放電目前雖然被廣泛地應(yīng)用于各種無機(jī)材料、金屬材料和高分子材料的表面處理中，但卻不能對(duì)各種化纖紡織品、毛紡織品、纖維和無紡布等材料進(jìn)行表面處理。低氣壓下的輝光放電雖然可以處理這些材料，但存在成本、處理效率等問題，目前無法規(guī)?；瘧?yīng)用于紡織品的表面處理。長期以來人們一直在努力實(shí)現(xiàn)大氣壓下的輝光放電(APGD)。1933年德國Von Engel報(bào)道了研究結(jié)果 ，利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實(shí)現(xiàn)了輝光放電，但它很容易過渡到電弧，并且必須在低氣壓下點(diǎn)燃，即離不開真空系統(tǒng)。1988年，Kanazawa等人報(bào)道了在大氣壓下使用氦氣獲得了穩(wěn)定的APGD的研究成果，并通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了產(chǎn)生APGD要滿足的三個(gè)條件：（1）激勵(lì)源頻率需在1kHz以上；（2）需要雙介質(zhì)DBD；（3）必須使用氦氣氣體。此后，日本的Okazaki、法國的Massines和美國的Roth研究小組分別采用DBD的方法，用不同頻率的電源和介質(zhì)，在一些氣體和氣體混合物中宣稱實(shí)現(xiàn)了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實(shí)現(xiàn)了APGD，并聲稱在幾個(gè)毫米的空氣間隙中也實(shí)現(xiàn)了APGD, 主要的實(shí)驗(yàn)條件為濕度低于15% 、氣體流速50l/min、頻率為3kHz的電源并且和負(fù)載阻抗匹配。他們認(rèn)為“離子捕獲”是實(shí)現(xiàn)APGD的關(guān)鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD，即當(dāng)所用工作電壓頻率高到半個(gè)周期內(nèi)可在極板之間捕獲正離子，又不高到使電子也被捕獲時(shí)，將在氣體間隙中留下空間電荷，它們影響下半個(gè)周期放電，使所需放電場強(qiáng)明顯降低，有利于產(chǎn)生均勻的APGD。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的一臺(tái)氣體放電等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)了Ar、He和空氣的“APGD”。1993年Okazaki小組利用金屬絲網(wǎng)（絲直徑0.035mm，325目）電極為PET膜（介質(zhì)）、頻率為50Hz的電源，在1.5mm的氣體（氬氣、氮?dú)狻⒖諝猓╅g隙中做了大量的實(shí)驗(yàn)，并宣稱實(shí)現(xiàn)了大氣壓輝光放電。根據(jù)電流脈沖個(gè)數(shù)及Lisajous圖形（X軸為外加電壓，Y軸為放電電荷量）的不同，他們提出了區(qū)分輝光放電和絲狀放電的方法，即若每個(gè)外加電壓半周期內(nèi)僅1個(gè)電流脈沖，并且Lisajous圖形為兩條平行斜線，則為輝光放電。若半周期內(nèi)多個(gè)電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。法國的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對(duì)APGD的形成機(jī)理也進(jìn)行了比較深入的研究工作。Massines小組對(duì)氦氣和氮?dú)獾腁PGD進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬 ，除了測量外加電壓和放電電流之外，他們用曝光時(shí)間僅10ns的ICCD相機(jī)拍攝了時(shí)間分辨的放電圖像，用時(shí)空分辨的光譜測量記錄了放電等離子體的發(fā)射光譜，并結(jié)合放電過程的一維數(shù)值模擬，他們認(rèn)為，氮?dú)庵械木鶆蚍烹娙詫儆跍烹?，而氦氣中均勻放電才是真正意義上的輝光放電，或亞輝光放電。他們還認(rèn)為，得到大氣壓下均勻放電的關(guān)鍵是在較低電場下緩慢發(fā)展大量的電子雪崩。因此，在放電開始前間隙中必須存在大量的種子電子，而長壽命的亞穩(wěn)態(tài)及其彭寧電離可以提供這些種子電子。根據(jù)10ns暴光的ICCD拍攝的放電圖像，Radu小組發(fā)現(xiàn)，在大氣壓惰性氣體He、Ne、Ar、Krypton的DBD間隙中，可以實(shí)現(xiàn)輝光放電。除了輝光放電和絲狀放電之外，還存在介于前兩者之間的第三種放電模式--柱狀放電。
從上個(gè)世紀(jì)末，國內(nèi)許多單位如科羅納實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院物理所、河北師范大學(xué)等先后開始了對(duì)APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環(huán)保、薄膜材料等技術(shù)里域有著誘人的工業(yè)化應(yīng)用前景，在大氣壓下和空氣中實(shí)現(xiàn)輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體一直是國內(nèi)外學(xué)者探尋的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。2003年，*將“大氣壓輝光放電”列為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。APGD的研究也取得了一些進(jìn)展，如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實(shí)現(xiàn)了APGD，空氣也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用眼睛看上去比較均勻的準(zhǔn)“APGD”。目前，對(duì)APGD的研究結(jié)果和認(rèn)識(shí)是仁者見仁，智者見智。APGD的研究方興未艾，已經(jīng)受到國內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。由于大氣壓輝光放電目前還沒有一個(gè)認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)，（只要選擇一定的介質(zhì)阻擋裝置、頻率、功率、氣流、濕度等）許多實(shí)驗(yàn)所看到的放電現(xiàn)象和輝光放電很相似即出現(xiàn)視覺特征上呈現(xiàn)均勻的“霧狀”放電，而看不到絲狀放電，但這種放電現(xiàn)象是否屬于輝光放電目前還沒有共識(shí)和定論。

科羅納實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的APGD

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次大氣壓下輝光放電(HAPGD)產(chǎn)生低溫等離子體

    由于大氣壓輝光放電技術(shù)目前雖有報(bào)道但技術(shù)還不成熟，沒有見到可用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備。而次大氣壓輝光放電技術(shù)則已經(jīng)成熟并被應(yīng)用于工業(yè)化的生產(chǎn)中。次大氣壓輝光放電可以處理各種材料，成本低、處理的時(shí)間短、加入各種氣體的氣氛含量高、功率密度大、處理效率高。可應(yīng)用于表面聚合、表面接枝、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學(xué)合成及各種粉、粒、片材料的表面改性和紡織品的表面處理。次大氣壓下輝光放電的視覺特征呈現(xiàn)均勻的霧狀放電；放電時(shí)電極兩端的電壓低而功率密度大；處理紡織品和碳纖維等材料時(shí)不會(huì)出現(xiàn)擊穿和燃燒并且處理溫度接近室溫。次大氣壓輝光放電技術(shù)目前可用于低溫材料、生物材料、異型材料的表面親水處理和表面接枝、表面聚合、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學(xué)合成等工藝。由于是在次大氣壓條件下的輝光放電，處理環(huán)境的氣氛濃度高，電子和離子的能量可達(dá)10eV以上。材料批處理的效率要高于低氣壓輝光放電10倍以上。 可處理金屬、非金屬、（碳）纖維、金屬纖維、微粒、粉末等。

次大氣壓下輝光放電效果實(shí)例

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低溫等離子體的應(yīng)用領(lǐng)域

    低溫等離子體物理與技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)由60年代初的空間等離子體研究向80年代和90年代以材料為導(dǎo)向研究領(lǐng)域的大轉(zhuǎn)變，高速發(fā)展的微電子科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源與材料科學(xué)等，為低溫等離子體科學(xué)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
    現(xiàn)在,低溫等離子體物理與應(yīng)用已經(jīng)是一個(gè)具有影響的重要的科學(xué)與工程，對(duì)高科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及傳統(tǒng)工業(yè)的改造有著巨大的影響。例如，1995年微電子工業(yè)的銷售額達(dá)1400億美元，而三分之一微電子器件設(shè)備采用等離子體技術(shù)。塑料包裝材料百分之九十都要經(jīng)過低溫等離子體的表面處理和改性?？茖W(xué)家預(yù)測：二十一世紀(jì)低溫等離子體科學(xué)與技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生突破。據(jù)估計(jì)，低溫等離子體技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)、聚合物薄膜、材料防腐蝕、等離子體電子學(xué)、等離子體合成、等離子體冶金、等離子體煤化工、等離子體三廢處理等領(lǐng)域的潛在市場每年將達(dá)一千幾百億美元。 
    等離子體輔助加工被用來制造特種優(yōu)良性能的新材料、研制新的化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)過程，加工、改造和精制材料及其表面，具有極其廣泛的工業(yè)應(yīng)用--從薄膜沉積、等離子體聚合、微電路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等離子體噴涂、等離子體冶金、等離子體化工、微波源。等離子體輔助加工已開辟的和潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括：
●半導(dǎo)體集成電路及其它微電子設(shè)備的制造
●工具、模具及工程金屬的硬化 
●藥品的生物相溶性包裝材料的制備
●表面防蝕及其它薄層的沉積
●特殊陶瓷（包括超導(dǎo)材料）
●新的化學(xué)物質(zhì)及材料的制造
●金屬的提煉
●聚合物薄膜的印刷和制備
●有害廢物的處理
●焊接
●磁記錄材料和光學(xué)波導(dǎo)材料
●精細(xì)加工
●照明及顯示
●電子電路及等離子體二極管開關(guān)
●等離子體化工(氫等離子體裂解煤制乙炔、等離子體煤氣化、等離子體裂解重?zé)N、等離子體制炭黑、等離子體制電石等)
對(duì)上述某些部分領(lǐng)域的目前潛在市場估計(jì)：
●半導(dǎo)體工業(yè)約為260億美元
●等離子體電子學(xué)約為400億美元
●工具及模具硬化約為20億美元
●作記錄和醫(yī)用聚合物薄膜領(lǐng)域約為幾十億美元的市場
對(duì)一些新的有活力的市場估計(jì)：
●金屬腐蝕防護(hù)約為500億美元
●陶瓷約為50億美元
● 在廢物處理、金屬提練、包裝材料及制藥業(yè)中的應(yīng)用約為幾十億美元市場。
    低溫等離子體物理與應(yīng)用是一個(gè)具有性影響的重要的科學(xué)與工程，對(duì)*的高科技工業(yè)發(fā)展及許多傳統(tǒng)工業(yè)的改造都有著直接的影響，二十一世紀(jì)初等離子體輔助加工會(huì)產(chǎn)生重要的突破，而這些突破對(duì)高科技產(chǎn)業(yè)的保護(hù)及提高其在市場中的地位將是極為重要的，例如近十年來，低溫等離子體的物理研究和技術(shù)應(yīng)用在很多方面有了突破性的進(jìn)展，zui有代表性的是微電子工業(yè)等離子體的應(yīng)用。1995年的微電子工業(yè)的銷售額已達(dá)1400億美元，其中三分之一的微電子器件的設(shè)備是采取等離子體技術(shù)。以"奔騰"芯片為代表的半導(dǎo)體微處理器的復(fù)雜生產(chǎn)過程中，三分之一是與等離子體有關(guān)的。現(xiàn)代塑料包裝產(chǎn)品中的印刷、復(fù)合、涂布等工藝百分之九十都依賴低溫等離子體的處理。