介質(zhì)阻擋等離子清洗機放電的原理是什么？
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）等離子清洗機電極的兩端施加高壓，陰極附近的氣體會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，在每次電離碰撞中電子就會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:
等離子清洗機在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，由于粒子間的碰撞頻率較高，一個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，場強變大。在流柱頭部的高場強區(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
等離子清洗機單個絲狀放電是在放電氣體間隙的某個位置發(fā)生，與此同時在其他位置也會發(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，電流就會截止。在同一位置上只有再次達(dá)到擊穿電壓時，才能發(fā)生再擊穿和在原地方發(fā)生第二次絲狀放電。每個微絲狀放電的直徑只有幾十個到幾百個納米，同時這些細(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。由于介質(zhì)層表面凹凸點的存在，增加了該處的局部電場強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
等離子清洗機一個微放電過程實際就是一個流光放電發(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)展及放電消失三個階段。圖2、圖3清晰地展現(xiàn)一個流光放電的演變過程。
在流注貫穿整個間隙之后，電荷在介質(zhì)表面上的沉積就變成一個很重要的特征。不同于自由流柱演化，等離子清洗機介質(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制，即認(rèn)為碰撞離子和光子產(chǎn)生的次級電子進(jìn)入到放電通道中。在流注貫穿氣體間隙時，在納秒級時間內(nèi)就會形成高場強的陰極位降區(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時應(yīng)充分考慮絲狀放電的現(xiàn)象，利用其特點來進(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）等離子清洗機電極的兩端施加高壓，陰極附近的氣體會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，在每次電離碰撞中電子就會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
等離子清洗機工作時，電子相對于離子具有較強的可流動性，使其在可測量的納秒級范圍內(nèi)穿過氣體間隙。當(dāng)電子雪崩在氣體間隙形成并產(chǎn)生定向移動時，離子由于運動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度等于或超過周圍氣體的擊穿場強，使得在較短的時間內(nèi)氣體電離急劇增加，最終導(dǎo)致單個絲狀放電的發(fā)生。等離子清洗機在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，由于粒子間的碰撞頻率較高，一個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，場強變大。在流柱頭部的高場強區(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
等離子清洗機單個絲狀放電是在放電氣體間隙的某個位置發(fā)生，與此同時在其他位置也會發(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，電流就會截止。在同一位置上只有再次達(dá)到擊穿電壓時，才能發(fā)生再擊穿和在原地方發(fā)生第二次絲狀放電。每個微絲狀放電的直徑只有幾十個到幾百個納米，同時這些細(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。由于介質(zhì)層表面凹凸點的存在，增加了該處的局部電場強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
等離子清洗機一個微放電過程實際就是一個流光放電發(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)展及放電消失三個階段。圖2、圖3清晰地展現(xiàn)一個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等離子清洗機中，電荷在介質(zhì)表面的移動性很低，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。在較低激勵電壓條件下，平行的微放電可在整個放電空間內(nèi)發(fā)生。然而隨看激勵電壓的提高，相鄰微放電之間會發(fā)生相互影響。一方面，激勵電壓的升高將使非彈性碰撞引起的電離作用增強，并使帶電粒子向周圍擴散，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向低能級躍遷過程中會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，隨著激勵電壓的提高，大量的帶電粒子會相互擴散直至最后形成宏觀均勻的準(zhǔn)連續(xù)放電。在流注貫穿整個間隙之后，電荷在介質(zhì)表面上的沉積就變成一個很重要的特征。不同于自由流柱演化，等離子清洗機介質(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制，即認(rèn)為碰撞離子和光子產(chǎn)生的次級電子進(jìn)入到放電通道中。在流注貫穿氣體間隙時，在納秒級時間內(nèi)就會形成高場強的陰極位降區(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時應(yīng)充分考慮絲狀放電的現(xiàn)象，利用其特點來進(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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