介質(zhì)阻擋等離子清洗機(jī)放電的原理是什么？
文章導(dǎo)讀：介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子清洗機(jī)的電極無論是平板式，還是圓柱形，亦或是沿面放電型，放電初期都是由無數(shù)微小的放電絲組成，所以我們可以通過分析絲狀放電的過程來了解介質(zhì)阻擋放電（DBD）的規(guī)律。
一、DBD等離子清洗機(jī)等離子體的放電原理
當(dāng)介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子清洗機(jī)電極的兩端施加高壓，陰極附近的氣體會(huì)在電場作用下電離并產(chǎn)生電子。在氣體被完全擊穿之前，這些電子在電場中加速，當(dāng)能量達(dá)到或超過氣體的電離能時(shí)，在每次電離碰撞中電子就會(huì)成倍的增加形成電子雪崩。單根細(xì)絲放電的演化過程如圖1所示:
等離子清洗機(jī)在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，由于粒子間的碰撞頻率較高，一個(gè)正在變大的電子雪崩在很短的距離就可產(chǎn)生相當(dāng)規(guī)模的電荷密度。電子和離子飄移速度不同造成電荷分離，從而使局部電場在原電場基礎(chǔ)上得到疊加，場強(qiáng)變大。在流柱頭部的高場強(qiáng)區(qū)，碰撞電離導(dǎo)致電離區(qū)域的快速增長，從而形成明亮的等離子體通道。但是在介質(zhì)阻擋放電過程中，由于等離子清洗機(jī)介質(zhì)層的存在限制了電流的自由增長，因此也阻止了金屬電極間火花或弧光放電的產(chǎn)生。
二、介質(zhì)阻擋尖端放電
等離子清洗機(jī)單個(gè)絲狀放電是在放電氣體間隙的某個(gè)位置發(fā)生，與此同時(shí)在其他位置也會(huì)發(fā)生絲狀放電。正是介質(zhì)的絕緣性質(zhì)，使這種絲狀放電能獨(dú)立發(fā)生在許多放電空間中。當(dāng)絲狀放電的兩端電壓低于擊穿電壓時(shí)，電流就會(huì)截止。在同一位置上只有再次達(dá)到擊穿電壓時(shí)，才能發(fā)生再擊穿和在原地方發(fā)生第二次絲狀放電。每個(gè)微絲狀放電的直徑只有幾十個(gè)到幾百個(gè)納米，同時(shí)這些細(xì)絲的根部與介質(zhì)層連在一起并在其表面產(chǎn)生凹凸點(diǎn)。由于介質(zhì)層表面凹凸點(diǎn)的存在，增加了該處的局部電場強(qiáng)度而使放電更加容易發(fā)生，這就是通常所說的介質(zhì)阻擋尖端放電。
三、流光放電
等離子清洗機(jī)一個(gè)微放電過程實(shí)際就是一個(gè)流光放電發(fā)生與消失的過程。所謂流光放電就是特指放電空間某一局部區(qū)域被高度電離并迅速傳播的一種放電現(xiàn)象。在DBD中它通常分為放電擊穿、流光發(fā)展及放電消失三個(gè)階段。圖2、圖3清晰地展現(xiàn)一個(gè)流光放電的演變過程。
在流注貫穿整個(gè)間隙之后，電荷在介質(zhì)表面上的沉積就變成一個(gè)很重要的特征。不同于自由流柱演化，等離子清洗機(jī)介質(zhì)阻擋放電有一特殊的邊界條件，故存在處理絲狀放電的不同相關(guān)模型。在這些模型中，都考慮了一種反饋機(jī)制，即認(rèn)為碰撞離子和光子產(chǎn)生的次級(jí)電子進(jìn)入到放電通道中。在流注貫穿氣體間隙時(shí)，在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)就會(huì)形成高場強(qiáng)的陰極位降區(qū)和高離子密度區(qū)。在大氣壓下，這樣的高場強(qiáng)區(qū)的厚度約為10微米。絲狀放電的一些重要特性是通過圖靈斑測量，圖像轉(zhuǎn)換器記錄，電流測量及電荷測量等手段來獲得。
了解等離子清洗機(jī)介質(zhì)阻擋絲狀放電的原理和過程，主要目的是在研制大氣等離子清洗機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮絲狀放電的現(xiàn)象，利用其特點(diǎn)來進(jìn)行材料表面改性，避免放電不均勻容易擊穿的弊端。圖4所示，DBD介質(zhì)阻擋延邊放電:
當(dāng)介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子清洗機(jī)電極的兩端施加高壓，陰極附近的氣體會(huì)在電場作用下電離并產(chǎn)生電子。在氣體被完全擊穿之前，這些電子在電場中加速，當(dāng)能量達(dá)到或超過氣體的電離能時(shí)，在每次電離碰撞中電子就會(huì)成倍的增加形成電子雪崩。單根細(xì)絲放電的演化過程如圖1所示:
圖1 DBD絲狀放電的過程的模型
等離子清洗機(jī)工作時(shí)，電子相對(duì)于離子具有較強(qiáng)的可流動(dòng)性，使其在可測量的納秒級(jí)范圍內(nèi)穿過氣體間隙。當(dāng)電子雪崩在氣體間隙形成并產(chǎn)生定向移動(dòng)時(shí)，離子由于運(yùn)動(dòng)速度慢而被滯留在后面逐漸在放電空間形成積累?？臻g電荷的產(chǎn)生最終使等離子清洗機(jī)的放電空間的電場產(chǎn)生畸變，從而使電極間空氣間隙的電場強(qiáng)度等于或超過周圍氣體的擊穿場強(qiáng)，使得在較短的時(shí)間內(nèi)氣體電離急劇增加，最終導(dǎo)致單個(gè)絲狀放電的發(fā)生。等離子清洗機(jī)在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，由于粒子間的碰撞頻率較高，一個(gè)正在變大的電子雪崩在很短的距離就可產(chǎn)生相當(dāng)規(guī)模的電荷密度。電子和離子飄移速度不同造成電荷分離，從而使局部電場在原電場基礎(chǔ)上得到疊加，場強(qiáng)變大。在流柱頭部的高場強(qiáng)區(qū)，碰撞電離導(dǎo)致電離區(qū)域的快速增長，從而形成明亮的等離子體通道。但是在介質(zhì)阻擋放電過程中，由于等離子清洗機(jī)介質(zhì)層的存在限制了電流的自由增長，因此也阻止了金屬電極間火花或弧光放電的產(chǎn)生。
二、介質(zhì)阻擋尖端放電
等離子清洗機(jī)單個(gè)絲狀放電是在放電氣體間隙的某個(gè)位置發(fā)生，與此同時(shí)在其他位置也會(huì)發(fā)生絲狀放電。正是介質(zhì)的絕緣性質(zhì)，使這種絲狀放電能獨(dú)立發(fā)生在許多放電空間中。當(dāng)絲狀放電的兩端電壓低于擊穿電壓時(shí)，電流就會(huì)截止。在同一位置上只有再次達(dá)到擊穿電壓時(shí)，才能發(fā)生再擊穿和在原地方發(fā)生第二次絲狀放電。每個(gè)微絲狀放電的直徑只有幾十個(gè)到幾百個(gè)納米，同時(shí)這些細(xì)絲的根部與介質(zhì)層連在一起并在其表面產(chǎn)生凹凸點(diǎn)。由于介質(zhì)層表面凹凸點(diǎn)的存在，增加了該處的局部電場強(qiáng)度而使放電更加容易發(fā)生，這就是通常所說的介質(zhì)阻擋尖端放電。
三、流光放電
等離子清洗機(jī)一個(gè)微放電過程實(shí)際就是一個(gè)流光放電發(fā)生與消失的過程。所謂流光放電就是特指放電空間某一局部區(qū)域被高度電離并迅速傳播的一種放電現(xiàn)象。在DBD中它通常分為放電擊穿、流光發(fā)展及放電消失三個(gè)階段。圖2、圖3清晰地展現(xiàn)一個(gè)流光放電的演變過程。
圖2 單絲微放電的演變過程
圖3 單絲微放電的演變過程
在DBD等離子清洗機(jī)中，電荷在介質(zhì)表面的移動(dòng)性很低，容易引起電荷在電介質(zhì)表面的聚集，從而束縛了微放電自身的發(fā)展，同時(shí)也限制了電荷在介質(zhì)層表面橫向區(qū)域內(nèi)的傳輸。在較低激勵(lì)電壓條件下，平行的微放電可在整個(gè)放電空間內(nèi)發(fā)生。然而隨看激勵(lì)電壓的提高，相鄰微放電之間會(huì)發(fā)生相互影響。一方面，激勵(lì)電壓的升高將使非彈性碰撞引起的電離作用增強(qiáng)，并使帶電粒子向周圍擴(kuò)散，從而引起相鄰區(qū)域內(nèi)氣體電離; 另一方面，處于激發(fā)或電離態(tài)的某些原子或分子在由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷過程中會(huì)輻射出紫外光引起放電空間其他區(qū)域發(fā)生光致電離。在這兩方面的作用下，隨著激勵(lì)電壓的提高，大量的帶電粒子會(huì)相互擴(kuò)散直至最后形成宏觀均勻的準(zhǔn)連續(xù)放電。在流注貫穿整個(gè)間隙之后，電荷在介質(zhì)表面上的沉積就變成一個(gè)很重要的特征。不同于自由流柱演化，等離子清洗機(jī)介質(zhì)阻擋放電有一特殊的邊界條件，故存在處理絲狀放電的不同相關(guān)模型。在這些模型中，都考慮了一種反饋機(jī)制，即認(rèn)為碰撞離子和光子產(chǎn)生的次級(jí)電子進(jìn)入到放電通道中。在流注貫穿氣體間隙時(shí)，在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)就會(huì)形成高場強(qiáng)的陰極位降區(qū)和高離子密度區(qū)。在大氣壓下，這樣的高場強(qiáng)區(qū)的厚度約為10微米。絲狀放電的一些重要特性是通過圖靈斑測量，圖像轉(zhuǎn)換器記錄，電流測量及電荷測量等手段來獲得。
了解等離子清洗機(jī)介質(zhì)阻擋絲狀放電的原理和過程，主要目的是在研制大氣等離子清洗機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮絲狀放電的現(xiàn)象，利用其特點(diǎn)來進(jìn)行材料表面改性，避免放電不均勻容易擊穿的弊端。圖4所示，DBD介質(zhì)阻擋延邊放電:
圖4 DBD介質(zhì)阻擋延邊放電狀態(tài)
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