（电气工程专业论文）大气压辉光放电等离子体生成装置的研究.pdf

1 本学位论 授权北京交通 提供阅览服务 同意学校向国 保密的 学位论文 签字日期 r l 卜 j 一 中图分类号 t n l 3 6 u d c 6 2 1 3 学校代码 1 0 0 0 4 密级 公开 北京交通大学 硕士学位论文 大气压辉光放电等离子体生成装置的研究 s t u d yo na t m o s p h e r i c p r e s s u r eg l o wd i s c h a r g ep l a s m ag e n e r a t o r 作者姓名 郝宇种 导师姓名 刘文正 学位类别 工学 学号 0 8 1 2 2 0 1 9 职称 副教授 学位级别 i 硕士 学科专业 电气工程研究方向 等离子体应用技术 北京交通大学 2 0 10 年6 月 一 l 致谢 本论文的研究工作是在我的导师刘文正教授的悉心指导下完成的 导师渊博 的学识 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 教会了我 如何写科技论文 并且在写科技论文期间严格要求我注意文章的内容结构 专业 术语的运用和科技论文在文字上的准确表达 认真 细致地帮我修改论文 培养 了我独立从事科学研究的能力 为我今后从事科研技术工作打下了良好的基础 刘文正老师悉心指导我完成了项目的科研 对于我的科研工作和论文都提出 了许多的宝贵意见 在学习上和生活上都给予了很多关心和帮助 在此向刘文正 老师表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 贾凌云 秦伟 宋洪磊 童达 孔飞 杨会 胜 龚兆丰等同学对我论文工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 r i 中文摘要 中文摘要 摘要 大气压辉光放电等离子体技术应用前景非常广泛 本研究旨在通过研究大 气压辉光放电的放电特性 得出在大气压下产生稳定辉光放电的方法 为实现大 气压空气环境中的辉光放电提供一些理论依据 为了实现大气压下的辉光放电 笔者改进并制作了基于m o s f e t 半桥逆变的 高频高压电源 并利用本研究研制的两种电极形式一单管射流电极和阵列式射流 电极的等离子体发生器及实验室拥有的平板电极 进行了放电实验并对其放电特 性进行了研究 在单管射流电极和阵列式射流电极的放电实验中 从电压 流速等方面讨论 了两种等离子体发生器的放电特性 笔者在此实验中也成功实现了大气压氩气环 境下的辉光放电 并总结出一些基础性规律 在平板电极放电实验中 先讨论了放电间隙 不同介质阻挡材料 电源频率 及单 双介质阻挡对放电特性的影响 并以此为依据确定了平板电极放电实验的 条件 在此基础上成功实现了放电间隙为2 m m 的大气压下空气环境中的辉光放电 以及放电间隙为3 m m 0 5 个大气压空气环境中的辉光放电 为实现笔者目标提供 了前进的基础 关键词 大气压辉光放电 介质阻挡 等离子体 分类号 t n l 3 6 i j a b s t r a c t a b s t r a c t a t m o s p h e r i c p r e s s u r eg l o wd i s c h a r g ep l a s m at e c h n o l o g yh a v eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h ep a p e rs t u d i e st h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c sa n do b t a i n sf o r m a t i o nm e t h o d so fs t a b l eg l o wd i s c h a r g ea ta t m o s p h e r i c p r e s s u r e t op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i so fs t a b l eg l o wd i s c h a r g ea ta t m o s p h e r i ci na i r i no r d e rt oa c h i e v et h ea i m t h eh i g h f r e q u e n c ya n dh i 曲一v o l t a g ep o w e rb a s e do n h a l f b r i d g em o s f e t i n v e r t e ri si m p r o v e d i na d d i t i o n d i f f e r e n ts t r u c t u r e so fe l e c t r o d e s s i n g l ep i p ec y l i n d e r r i n gp l a s m aj e te l e c t r o d e a r r a yj e te l e c t r o d ea n dp a r a l l e l e dp l a t e s d i e l e c t r i cb a r r i e re l e c t r o d ea r ed e v e l o p e df o rc a r r y i n go u ta p g d a n dt h ed i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c sa r ef u r t h e rs t u d i e d i nt h ed i s c h a r g ec r e a t e db ys i n g l ep i p ec y l i n d e r r i n gp l a s m a j e te l e c t r o d ea n da r r a y j e te l e c t r o d e i m p o r t a n tf a c t o r so fd i s c h a r g e s u c ha sw a v e f o r mo fa p p l i e dv o l t a g ea n d f l o wr a t e a l es t u d i e d t h eg l o wd i s c h a r g eo fa r g o na ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ei sa c h i e v e d a n ds o m eb a s i cr u l e sa r es u m m a r i z e d i nt h ed i s c h a r g ec r e a t e db yt h ep a r a l l e l e dp l a t ed i e l e c t r i cb a r r i e re l e c t r o d e t h e f a c t o r ss u c ha st h ed i s c h a r g eg a p d i e l e c t r i cm a t e r i a l s f r e q u e n c ya n ds i n g l e d o u b l e d i e l e c t r i ca r es t u d i e d b yw h i c hc o n f i r m e dt h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s f i n a l l y t h e g l o wd i s c h a r g eo f 2 m m aa t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n d3 m m h a l faa t m o s p h e r i c p r e s s u r ei n a i re n v i r o n m e n ti sa c h i e v e do nt h i sb a s i c s k e y w o r d s a t m o s p h e r i cp r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e d i e l e c t r i cb a r r i e r p l a s m a c l a s s n o v rr ll 目录 目录 中文摘要 i i i a b s t r a c t v 1 引言 1 1 1研究背景 l 1 2研究意义 3 1 3 研究内容 一3 2大气压下的辉光放电等离子体 5 2 1等离子体简介 5 2 1 1 等离子体概述 5 2 1 2 等离子体应用 6 2 2大气压下的等离子体 7 2 2 1 大气压下的几种放电方式 7 2 2 2 大气压下的电晕放电和介质阻挡辉光放电 10 2 3等离子体灭菌 1 4 2 3 1 传统等离子体灭菌技术 1 4 2 3 2 等离子体灭菌原理 1 5 2 3 3 等离子体灭菌技术的研究现状 1 6 3高频高压电源的改进与制作 1 9 3 1高频高压电源 1 9 3 2高频高压电源的设计方案 2 0 3 3a c d c d c 2 l 3 3 1a c d c d c 原理图 2 1 3 3 2 防电磁干扰及过流保护 2 2 3 3 3d c d c 变换 2 4 3 4半桥逆变电路 3 0 3 4 1 半桥逆变电路的工作原理 3 0 3 4 2 半桥逆变触发电路 3 2 3 4 3 吸收回路 3 6 3 5高频变压器的设计 3 7 3 5 1 面积乘积法 a p 法 3 8 3 5 2 利用a p 法设计 3 9 北京交通大学硕士学位论文 3 5 3 高频高压变压器制作的特殊要求 4 l 3 6 小结 4 1 4 射流电极的大气压辉光放电 4 3 4 1电气连接及电极结构说明 4 3 4 2m a x w e l l3 d 极间电场分布仿真 4 5 4 3 射流等离子体发生器 4 6 4 3 1 单管射流电极 4 6 4 3 2 阵列式等离子体射流电极 4 9 4 4 小结 5 l 5高气压空气环境下平板电极的放电特性研究 5 3 5 1放电电极结构及实验条件说明 5 3 5 2m a x w e l l3 d 内部场强分布仿真 5 4 5 3不同参数对放电特性的影响 5 5 5 3 1 电极间距对放电特性的影响 一5 5 5 3 2 介质阻挡材料对放电特性的影响 5 6 5 3 3 电源频率对放电特性的影响 5 6 5 3 4 单 双介质阻挡对放电特性的影响 5 7 5 4 平板电极在高气压空气环境下的放电特性的研究 5 8 5 4 1 放电间隙为2 m m 5 8 5 4 2 放电间隙为3 m m 6 0 5 5 小结 6 1 6 结论 6 3 6 1本文工作的主要成果 6 3 6 2 实验有待改进的地方及展望 一 参考文献 6 5 作者简历 6 9 独创性声明 7 1 学位论文数据集 7 3 引言 1 引言 1 1研究背景 如今低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工 程 对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响 科学家预测 2 1 世 纪低温等离子体科学与技术将会产生突破性的应用 目前 等离子体应用技术的研究已趋向专门化 可研制各种技术需要的等离 子体发生技术以满足不同研究任务的具体要求 例如微电子工业的高频离子源 材料科学工程范围的辉光放电等离子体发生技术 化学工程范围的表面处理等离 子体发生技术以及环境方面的等离子体发生技术等 低温等离子体物理与技术的研究在国内外受到了越来越多的重视 现在 国 内研究所和理工类院校实验室对低温等离子体技术的研究越来越重视 这使得在 我国低温等离子体应用方面的研究逐步发展 包括等离子体灭菌 微电子工业中 的等离子体工艺 各种坚硬 耐腐蚀 耐摩擦材料的制备 纳米材料的制备 聚 合物以及合成材料的表面改性等等 随着工业化速度的加快和人口数量的不断增多 人类向大气中排放的废弃物 越来越多 这些物质长时间暴露于空气中会产生恶臭性物质如甲硫醇 二甲硫化 物等 这些有害物质严重危害了人类的健剧 空气质量和人们的日常生活息息相关 随着人们生活质量的提高及环保意识 的增强 改善空气质量越来越受到人们的重视 现代工业的快速发展使得空气中 的污染物变得复杂而多样 工业生产 交通运输和日常生活中大量排放的有机污 染物 v o c s 等 和无机污染物 s 0 2 n o 等 威胁着人类自身健康和赖以生存的环境 2 1 且用传统的净化方法 如吸附法 洗涤法 静电除尘法等存在净化不彻底 可 重复性差等问题 已不能适应空气净化的需要 作为新一代的灭菌技术 等离子 体灭菌法正受到广泛的关注 国内外多家相关研究机构也正在对这种灭菌法展开 深入的研究工作 人们慢慢地把目光转向了利用等离子体灭菌技术进行空气净化 2 0 世纪8 0 年代末 增田闪一教授首先提出的脉冲电晕放电等离子体净化技术 p p c p 川 有净化彻底 净化范围广 可重复使用等优点 在前人的启发及后人的不 懈努力下 利用等离子体净化空气越来越受到国内外的重视 掀起了一波理论与 实践研究的高潮 但我们也知道利用等离子体灭菌技术进行空气净化并不是一件容易的事 首 北京交通大学硕士学位论文 先 产生等离子体的放电方式有电晕放电 辉光放电 弧光放电等三种 这三种 放电方式各有优缺点 在空气中 电晕放电比较容易实现 但它的放点电流很 小 杀菌效果不明显 且容易向丝状放电甚至弧光放电转化 放电状态不稳定 辉光放电的放电电流较大 且产生的是低温等离子体 是消毒灭菌的最佳选择 但在大气压下空气环境中实现稳定的辉光放电依然是个难题 丝状放电是由空间 放电的不均匀性造成的 在放电过程会发出嘶嘶的声响 电流密度过大 而且不 稳定 不均匀 在空间形成几条放电通道 也不适合利用其进行消毒灭菌 当发 生弧光放电时 会发射耀眼的光芒 电流密度很大 产生的是高温等离子体 适 用于焚烧垃圾 国外一些科研小组在上世纪末证明了大气压下实现辉光放电的可能性 1 9 8 8 年 日本的k a n a z a w a l 4 1 等首先采用介质阻挡的方式实现了氦气中的大气压辉光放 电 随后1 9 9 3 年o k a z a k i t 5 和1 9 9 7 年r o t h l 6 等使用特定形式的电极和较低的电源频率 在空气等多种气体中建立了大气压辉光放电 近年来 国内在大气压辉光放电领 域也进行了较广泛的研究 2 0 0 2 年清华大学数值模拟了大气压下空气间隙2 m m 介 质阻挡的近似a p g d 2 0 0 3 年西安交通大学用网孔电极和介质阻挡材料也实现了 2 m m 空气间隙的a p g d 中国科学技术大学低温等离子体实验室自行设计研制了一 套大气压辉光放电系统 并进行了多种电极结构下的实验研究 利用平板电极结 构获得了氦气 氩气掺杂酒精 氮气的大气压辉光放电 但在较大放电间隙的大 气压空气环境中产生稳定的辉光放电等离子体依然是个难题 近年来随着低碳经济 环保概念的大力倡导 国内研究人员不仅致力于研究 如何在大气压下产生稳定的辉光放电 而且在利用其产生的低温等离子体在净化 空气等方面也有了广泛的研究 2 0 0 3 年郭玉芳 叶代启提出废气治理的低温等离 子体一催化协同净化技术 7 2 0 0 5 年张晓明等进行了低温等离子体 光催化净化空 气污染物技术 8 方面的研究 2 0 0 9 年傅建钦 刘方 9 提出了等离子体技术在污染防 控中的应用等等 但是研究也发现 大气压空气环境下辉光放电的建立条件依然 很苛刻 一般认为有两种方法可以实现a p g d 必须满足至少一个电极有绝缘介质 存在 并采用k h z m h z 的交流电源 另一种是需要采用高压短脉冲电源 另一方 面 在半个周期内只有一个电流峰值的放电形式才被认为是真正的a p g d e l o l 所以 在大气压下利用辉光放电产生的等离子体进行空气净化依然是个难题 本实验室在前段时间的研究中 成功研制出几十k h z 的交流高压电源 并配合 平板电极 同轴电极 针环电极在氦气环境下实现了大气压的辉光放电 并对其 形成规律和灭菌效果进行了研究 取得了初步的结果 下一阶段笔者将对电源与 电极进行改进 探索在大气压空气环境中实现辉光放电的规律 2 引言 1 2研究意义 目前来说 应用大气压下产生的低温等离子体进行空气净化是所有研究人员 努力的目标 因为低温等离子体灭菌消毒技术是一种新颖且具有竞争力的技术 预计它将逐步取代热力灭菌法 压力灭菌法和化学灭菌法等传统的灭菌技术 具 有广阔的应用前景 除了可以用于医疗器械的灭菌消毒 物质表面的改性 如清 水性等 外 低温等离子体灭菌消毒技术还可以用于卫生材料 纸张 食品 服 装 家具和餐具等需要消毒灭菌的行业或工作 也可与化学相结合 在辉光放电 等离子体中 电子密度高 1 0 9 1 0 1 2 c m 3 电子气温度比普通气体分子温度 高出1 0 一1 0 0 倍 虽环境温度 1 0 0 3 0 0 c 较低 但反应气体在辉光放电等离 子体中能受激分解 离解和离化 从而大大地提高了参与反应物的活性 因 此 这些具有高反应活性的中性物质很容易被吸附到较低温度的基片表面上 发生非平衡的化学反应沉积生成薄膜 这称之为p e c v d 一等离子体化学气相 沉积法具有一个宽泛的应用范围 这些高技术的应用必将对医疗 卫生 食品 生物工程及化学技术等等各个领域的发展起到很大的推进作用 因而等离子体灭 菌技术有着很高的经济效益和市场前景 正如上文所说 低气压下的等离子体灭菌技术具有很高的应用价值和经济效 益 而且国内外研究人员一直在坚持不懈的努力 这种技术已日趋成熟 国内如 中科院等离子体所 l l 1 1 1 2 1 2 中科大近代物理系 1 3 东北师范大掣1 4 等都对此做相关 研究 国外也有一些公司和研究小纠 在进行相关的研究工作 并取得了一些进 展 但是 与大气压下空气环境中的等离子体灭菌相比 存在明显的劣势 首先 需要真空系统 增加了装置的成本 其次 需要抽真空环节 延长了灭菌的周期 另外由于真空腔体的规格 限制了待处理物品的尺寸 相比之下常压辉光放电等 离子体 a g d p 具有不需要在低气压下运行 可实现连续生产 能产生大面积均匀 放电且功率密度合适等优点 同时有着良好的经济效益及发展前景 但在常压空气环境中进行等离子体灭菌 常压空气环境中辉光放电的产生技 术是关键 在低气压空气环境下 辉光放电较容易产生 而在大气压空气环境下 上文已经提到即便产生了放电 也很容易由辉光放电转化成丝状放电 近年来 随着空气的日益污染以及人们对生活品质的追求 把等离子灭菌技术应用在常压 空气环境中已经越来越成为人们关注的焦点 但对其产生的机理还很模糊 研究 也处于探索阶段 笔者也在努力朝此方向前进 如能掌握在常压空气环境中产生 稳定辉光放电等离子体的规律将很有学术意义及应用价值 1 3研究内容 北京交通大学硕士学位论文 本研究的目标是能够设计出一个能在大气压下空气环境中进行稳定辉光放电 的等离子体发生装置 为了实现此目标 笔者将分别对放电电源和电极两个方面 进行研究 具体包括以下内容 首先 研究了实现大气压下辉光放电所需电源的原理 为了实现大气压下的 辉光放电 改进了实验室原有的高频高压电源 所改进制作的电源的输出功率 电压 占空比和频率的调节范围基本上能满足本论文实验的需要 其次 研究了大气压下辉光放电的放电特性 分别设计并制作了单管针环射 流电极和平板电极 并使用这两种电极在不同气体 不同气压下进行了放电实验 记录并分析了放电特性 并根据放电效果较好的单管针环射流电极的放电原理 开发了阵列式射流电极 实现了大气压下的辉光放电 使得放电间隙增大 灭菌 处理范围增大 降低了成本 4 大气压下的辉光放电等离子体 2 大气压下的辉光放电等离子体 2 1等离子体简介 2 1 1等离子体概述 等离子体又叫做电浆 是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产 生的正负电子组成的离子化气体状物质 其中包括六种典型的粒子 即电子 正离子 负离子 激发态的原子或分子 基态的原子或分子以及光子 由于正负 电荷总数相等 故等离子体对外呈电中性 l6 1 反过来我们可以把等离子体定义为 正离子和电子的密度大致相等的电离气体 它广泛存在于宇宙中 常被视为是 除去固 液 气外 物质存在的第四态 因为等离子体与固 液 气三态相比 无论在组成上还是在性质上均有本质区别 首先气体通常是不导电的 等离子体 则是一种导电流体 l 刀 其次 组成粒子间的作用力不同 气体分子间不存在电磁 力 而等离子体中的带电粒子间存在库仑力 并由此导致带电粒子群特有的集体 运动 另外 作为一个带电粒子群 等离子体的运动行为明显地受到电磁场的影 响和约束 通常 等离子体中存在电子 正离子 和中性粒子 包括不带电荷的粒子 如原子或分子以及原子团 等三种粒子 设它们的密度分别为n e n i n 玛由于n e 约 等于n i 准电中性 所以电离前气体分子密度为 n e n n 于是我们定义电离度 肫 n e n n 以此来衡量等离子体的电离度 日冕 核聚变中的高温等 离子体的电离度都是1 0 0 像这样p l 的等离子体称为完全电离等离子体 电离 度大于1 的称为强电离等离子体 像火焰中的等离子体大部分是中性粒子 称之 为弱电离等离子体 若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行的 那么电子 离子 中性粒 子会通过激烈碰撞而充分交换动能 从而使等离子体达到热平衡状态 若电子 离子 中性粒子的温度分别为t e t i t n 我们把这三种粒子的温度近似相等的热平 衡等离子体称为热等离子体 t h e r m a lp l a s m a 在实际的热等离子体装置中 阴极和 阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离 输出的等离子体成喷射状 可用作等离子体射流 p l a s m a j e t 等离子体喷焰 p l a s m at o r c h 等 另一方面 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态 此时 电 子在离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量 我们把这样的等离子体称为 低温等离子体 c o l dp l a s m a 当然 即使是在高气压下 低温等离子体还可以通过 北京交通大学硕士学位论文 不产生热效应的短脉冲放电模式来产生 由于电子温度的高低反映了等离子体中 电子平均动能的大小 在等离子体科学领域中 通常采用能量单位电子伏特 e x q 作为温度单位 它们之间的关系是 e k t 瑙 式中k 是玻尔兹曼常数 1 3 8 x 1 0 2 3 j k 1 t 是电子温度 k 由l e v 1 6 0 x 1 0 9 j 可得l e v o 邑量的电子 的温度为1 1 6 x 1 0 4 k 等离子体在自然界中是普遍存在的 在宇宙中几乎有9 9 9 以上的物质是以等 离子体状态存在的 如恒星星系 星云 地球附近的闪电 极光 电离层等 地 球上南北极有时发生的五颜六色的极光 夏日雷雨时出现的闪电和绚丽多彩的霓 虹灯 日光灯等都与等离子体现象密切相关 除核聚变以外 等离子体的应用多 集中在能量密度和电离度都较低的低温等离子体部分 2 1 2等离子体应用 等离子体在工业上的应用具有十分广泛的前景 高温等离子体的重要应用是 受控核聚变 低温等离子体还被用于材料的表面聚合 表面接枝和表面改性 首先 在新能源领域 利用超高密度 超高温等离子体的核聚变发电受到了 瞩目 在不久的将来 不仅燃化资源将枯竭 而且其燃烧产物c 0 2 带来的全球变 暖问题也不容忽视 另一方面 基于核裂变反映的原子能发电的主要燃料铀的储 量有限 反映堆的安全问题和放射性废物的处理问题还没能从根本上解决 其次 等离子体发光特性的应用包括我们常见的荧光管 霓虹灯等照明的等 离子体放电管 以及气体激光 等离子体显示等 目前 等离子体平板显示的研 究开发热点是大画面和高清晰度 1 6 1 在新材料和加工领域 等离子体工艺 p l a s m ap r o c e s s 或叫做等离子体加工 p l a s m ap r o c e s s i n g 的有关技术正在被人们广泛的利用 高气压电弧等离子体是一 个巨大的热源 可将混入其中的陶瓷或金属等的微粒材料瞬间溶化 另外 利用 等离子体化学活性的薄膜沉积 d e p o s i t i o n 与刻蚀 e t d l i n 曲 也是尖端电子器件制造 中必不可缺的工艺 这里 通入工作气体 然后使其放电 高能量的电子足以使 气体分子键断裂 产生出大量活性基团 这些基团不断吸附在基板表面 由于基 团之问的表面化学反应最终会在表面生长出一层具有新化学结构的薄膜 这就是 等离子体p c v d 等离子化学气相沉积 p l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 技术 它已经在太阳能电池与液晶显示器件的制造中得到应用 进一步 等离子体技术 可以用来研制各种聚合物薄膜 金刚石膜以及纳米管等新材料 还有 用电子束 蒸发法把金属等固体原料蒸发 注入到等离子体中 电离出的离子在加速电压作 用下轰击基板 基板表面就会沉积一层可改进表面性能的薄膜 这种方法叫做离 6 大气压下的辉光放电等离子体 子镀膜 i o np l a t i n g 1 6 j 另一方面 由基团和基板表面的原子 分子 发生化学反应 生成挥发性气 体而不断从表面逸出 基板表面会逐渐被刻蚀 若同时以等离子体中的离子轰击 基板 就会促进刻蚀反应 而使之成为定向刻蚀 这种刻蚀方法称为反应性离子 刻蚀 r e a c t i v ei o ne t c h i n g r i e 它已成为计算机最关键部件c p u 中大规模集成电 路 1 a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n l s i 与辅助存储器d r a m 等器件的微细加工中必不可少 的工艺技术 而将离子加速至数百电子伏以上后轰击固体材料 使得材料原子脱 离表面的现象称为溅射 s p u t t e r i n g 溅射出来的粒子可以在另外的基板上沉积成薄 膜 这种薄膜制备工艺也在被广泛使用 应用等离子体的薄膜工艺 干法刻蚀 与以往用腐蚀液进行的湿法刻蚀相比 有以下几个优点 第一 湿法刻蚀产生大量废液 造成公害 采用气体的干法刻 蚀避免了废液处理问题 排出废气的净化处理过程也较简单 第二 湿法刻蚀必 须在高温条件下进行 而干法刻蚀在低温下就可获得较高的反应速度 这是因为 等离子体中高能量的电子使工作气体分解 生成了大量的活性种 第三 湿法刻 蚀通常是从液体与基板的接触点开始进行各向同性刻蚀 这种刻蚀方法特别适用 于需要进行高精细加工的器件制作 1 6 1 现在 人们把更多的目光投向了环境 宇宙领域 近年来 人们对等离子体 技术应用于地球环保方面的期待正日益高涨 目前 科学家们正在研究如何利用 等离子体进行城市垃圾处理 废金属的精炼 燃烧排放的废气与有机溶剂的处理 等环保课题l l 引 2 2 大气压下的等离子体 2 2 1大气压下的几种放电方式 对标准直流放电模式的研究由来已久 在1 t o r r 左右的压强下测量这种 放电过程中电极间的电压v 与电流i 的关系 不难得到如图2 1 低气压直流 放电的电压 电流特性和放电模式 在图中a 点至b 点的开始阶段 电流随着 电压的升高而增加 这时的微弱电流 称为暗流 是不稳定的 还没有达到 真正放电中的那种电流持续流动的状态 在超过c 点之后 电流迅速增大而 达到汤生放电 从c 到e 为汤生电离区 放电管中的电子从电场得到足够的能量 使它们能电离一些中性气体 在电压增高时导致电流呈指数迅速上升 在d 和e 之间会产生电晕放电 这是由于在尖端 尖锐边缘或粗糙的电极表面局部电场不 均匀引起的 e 点就是所谓的放电着火状态 对应的电压是着火电压 7 北京交通大学硕士学位论文 在图2 1 中 放电从e 点开始后会进入电流增加而电压下降的e 至f 的阶段 前期辉光放电 产生这样的负阻 d w d i 0 现象是因为等离子体电阻 v i 随等离 子体密度增加而减小 若我们再增大电流 那么放电就会进入电压一定的f 至g 阶段 正常辉光放电 造成这种定电压特性的原因是 电流密度i 一定 面积a 增加而导致总电流i a j 增大 但是 电流密度超过全部阴极面积的g 点后 放电 就要进入电流密度j 增加而导致整个电流增大的g 到h 的阶段 反常辉光放电 在以上放电开始的e 点至h 点的过程中 我们可以看到等离子体的辉光放电 现象 故这种放电称为辉光放 g l o wd i s c h a r g e 进一步增大电流 电压v 会下 降到电离电压值附近而到达j 点 从而引起电弧放电 l o 惦pl 驴 却1 吨捞却 和lo如 电浇i a 一 图2 1 气体放电伏安特性曲线 f i g 2 1g a sd i s c h a r g ev ic h a r a c t e r i s t i cc u r v e 从直流放电的发展过程 可以总结出等离子体的几种主要放电形式 常见的产生等离子体的方式有以下几种 电晕放电 辉光放电和弧光放电 1 电晕放电 电晕放电 有时称作单极放电 发生在处于电击击穿点之前的受压状态的气 体尖端 边缘或附近的高电场区 1 9 在曲率半径很小的尖端电极附近 由于局 部电场强度超过气体的电离场强 使气体发生电离和激励 因而出现电晕放 电 产生电晕放电的条件是 气体压强较高 一般在一个大气压以上 电场分布很 不均匀 并有几千伏以上的电压加到电极上 2 0 1 2 1 1 电晕只发生在 i 临界半径 区域 之内 所谓 临界半径 是指径向衰减的电场在该处强度正好等于工作气体的击穿场 强 电晕是一种自持放电 放电电流一般在微安级 发生电晕时在电极周围可以 看到亮光 并伴有咝咝声 电晕放电可以是相对稳定的放电形式 也可以是 大气压下的辉光放电等离子体 不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段 电晕放电包含一种特殊的放电现象 丝状放电 丝状放电的特征是有一系列 持续时间短 约i l s 级 强度较大的电流峰 需注意每个电流峰并非代表一次单一放 电 而是此刻若干个放电所积累的宏观反映 3 1 3 2 1 如 f 匿 2 2 为丝状放电电流波形 图 触 啪 荔君 圈 格式 圃 关于 存图像 选择 文件夹 储存 n 粕 7 胂 张 0 0 c 陵 劲瓣 7 擀1 嘶一 t k i 慧 a 协5 0 0 k v3 珥川哼1 拳 卅积 图2 2 放电电压 放电电流的放电波形和利萨如图形 f i g 2 2d i s c h a r g ew a v e f o r r a 丝状放电是由空间的不均匀性造成的 首先 形成电子崩的初始种子电子在 放电区域内部随机分布 放电过程中 电子崩不断汇聚 最终形成的丝状放电通 道具有相对其他放电区域更高的电流密度 每个丝状放电通道直径在1 0 5 0 0 h m 不 等 并且随机的分布在整个放电区域中 以上几点导致了丝状放电空间的不均匀 性 此外 丝状放电通道的寿命一般在5 0 n s 以内 当放电电源的频率在k h z 量级时 在每个放电周期内 大量丝状放电通道时间上随机的相继产生 在放电电流波形 中表现为每个放电周期内部出现多个放电电流尖峰 以上几点导致了丝状放电在 时间上的不均匀性 丝状放电的以上特点造成了对其应用于大气压辉光放电等离子体灭菌技术的 一些缺点 首先 由于丝状放电通道的电流密度高 导致在处理的过程中 局部 放电能量密度大 被处理物品局部温度高 有可能损伤其表面物质 其次 由于 丝状放电空间的不均匀性 被处理物品的有效灭菌面积小 且不均匀 容易产生 局部灭菌效果差的结果 再次 由于每个周期存在多个峰值很高的放电电流尖峰 所以与辉光放电相比 放电电流稍大 但远未达到弧光放电的量级 电源输出功 率提高 所生成的等离子体并不满足消毒灭菌的要求 所以丝状放电是需要被避 免的 2 辉光放电 辉光放电 g l o wd i s c h a r g e 是低压气体放电现象的一种重要形式 2 2 1 辉光放电是 一种复杂而稳定的自持放电 2 3 大气压辉光放电一般是指大气压下气体放电在电 极之间均匀稳定地产生 放电电流在几毫安到几百毫安之间 所生成的等离子体 9 北京交通大学硕士学位论文 空间分布均匀 大气压辉光放电的产生和维持非常困难 对这种放电形式的判断 标准也不明确 人们现在一般通过电压电流波形来判断 2 4 2 5 早在1 9 3 3 年 德国的a v o n g d 等人 2 6 就利用了裸露的电极在空气 氦气或氢 气中产生了大气压下的直流和射频辉光放电 但是放电效果很不稳定 容易从辉 光放电过渡到弧光放电 另外 它需要冷却电极并且在低气压下点燃后逐渐升压 到大气压 因此仍需要真空系统 在此之后 人们为了在大气压下获得稳定的辉 光放电 进行了各方面的尝试 比如等离子体阴极放电 多针电阻电极放电 微 空心阴极放电 毛细管放电等 2 7 除了上述方法外 国内外研究最多 最常采用的一种典型的方法是介质阻挡 放电 d b d 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 介质阻挡放电做为产生辉光放电最典型的 方式 笔者在后面章节也利用了d b d 进行研究 3 弧光放电 弧光放电是一种自持放电 呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象 无论在稀薄气体 金属蒸气或大气中 当电源功率较大 能提供足够大的电 流 几安到几十安 使气体击穿 发出强烈光辉 产生高温 几千到上万 度 这种气体自持放电的形式就是弧光放电 通常产生弧光放电的方法是 使两电极接触后随即分开 因短路发热 使阴极表面温度陡增 产生热电子 发射 热电子发射使粒子碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加 从而使 两极间的气体具有良好的导电性 弧光放电的特征是电压不高 电流增大时 两极间电压反而下降 有强烈光辉 还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电 阴极由低熔点材料 如汞 做 成 阴极表面蒸发出的蒸气被电离 在阴极表面附近堆积成空间正电荷层 在电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成强电场来引起场致发射 使电流剧增 产生电弧 弧光放电应用广泛 可用作强光光源 在光谱分析中用作激发元素光谱 光源 在工业上用于冶炼 焊接和高熔点金属的切割 在医学上用作紫外线 源 汞弧灯 等等 但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害 应采 取灭弧措施 在本文中 作者不对其进行讨论 2 2 2 大气压下的电晕放电和介质阻挡辉光放电 1 0 l 大气压下的辉光放电等离子体 对于上文所叙述的三种放电方式 只有电晕放电和辉光放电两种放电方 式产生低温等离子体 所以研究两种放电方式的放电机理对于本文要实现的 目标都非常重要 2 2 2 1 电晕放电 1 电晕放电的特点 等离子体具有广泛的应用性 尤其在灭菌方面效果显著 为了能够大面 积的推广等离子体的应用技术 1 9 3 3 年v o ne n g e l 等人就已报道了用裸露电极在 空气或氢气中产生大气压下的直流和射频辉光放叫2 6 1 然而这种放电并不稳定 容易向弧光放电的转变 需要冷却阴极 而且开始放电时气压必须首先由真空逐 渐升压至大气压 近年来用电晕放电去除污染气体的研究日益广泛 2 8 2 9 1 为得到 更高的放电能量密度和放电稳定性 人们对各种电晕放电特性的研究也日渐深入 电极周围的电场极不均匀且压强较高的电晕放电是一种微弱的不稳定放电 其原因是电场线集中在针状电极尖端附近或者同轴中心导体周围 使得电场较强 在强场处局部容易发生电离 可以观察到等离子体的局部发光现象 这时绝缘击 穿后的电流很微弱 会有持续 不稳定的短脉冲电流通过 在大气压下 与辉光放电相比 虽然电晕放电产生的能量较低 但是如在空 气环境中电晕放电就有其突出的优点 首先在大气压空气环境中更易产生 其次 不需要采用特殊气体 简化了工艺流程 节省了成本 适合于大规模应用 2 电晕放电的产生方法 电晕放电按其电极结构分为线筒式 线板式和针板式等 其应用广泛 3 上世纪初 汤生给出电晕放电伏安特性近似解 3 2 其他学者发现针对板负电晕放 电具有类似的经验公式 2 0 0 8 年1 月大连海事大学非热放电应用研究室研究了多针 对板电晕放电伏安特性关系 在不影响放电稳定性 放电能量密度较高时 优化 确定了多针对板电晕放电的电极间距 3 3 1 但是由于电晕放电发生在非常狭小的区 域 数毫米 而且它很不稳定 容易从流注迅速过渡到电弧 从应用的角度看 电晕放电吸引我们的地方是可以在大气压下生成非热平衡 等离子体 而使这种放电能够稳定而且大面积化 对其实用是很有必要的 对此 一种方法是施加纳秒至微妙的快速上升的短脉冲电压而形成短脉冲电晕 采用这 样快速上升的电压波形是为了只加速不引起温度上升的质量较小的电子而不加速 质量较大的离子 并且使放电电压低于火花放电的起始电压 另外一种是介质阻 挡放电 又称臭氧放电或无声放电 它的做法是在金属电极表面覆盖介质 石 英玻璃等 作为阻挡层 然后施办h 5 0 h z 1 0 k h z 的交流高压 这样就可以大面积 地生成无火花放电的稳定流注电晕 l6 1 这种在电晕放电空间内加入固体介质而形 成的放电被称为介质阻挡电晕放电 简称d b c d 3 5 换句话说 放电电流所带来 北京交通大学硕士学位论文 的电荷在介质表面的局部积累会形成一个反向电场 从而可以防止火花放电引起 的电流集中 3 电晕放电的判断 根据前文所给图2 1 可知电晕放电电流值的数量级为l o q 2 1 f f 5 a 通过电流的 大小判断是否为电晕放电 2 2 2 2 大气压下的介质阻挡放电 1 介质阻挡放电简介 气体放电产生等离子体的方式主要有电晕放电 c o r o n ad i s c h a r g e 辉光放电 g l o wd i s c h a r g e 介质阻挡放电 d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e 以下简称d b d 射频 单电极电晕放电 r a d i of r e q u e n c ys i n g l ee l e c t r o d ec o r o n ad i s c h a r g e 滑动电弧放电 g l i d ed i s c h a r g e 射流放电 j e td i s c h a r g e 大气压下辉光放电 a t m o s p h e r i cp r e s s u r e g l o wd i s c h a r g e 次大气压下辉光放电 h y p a t m o s p h e r i cp r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e 等 3 4 3 5 o 介质阻挡放电 它是一种有绝缘介质插入放电空间的气体放电 介质可以覆盖 在一个电极上 也可以同时置于两个电极上 或者悬挂于放电空间间隙中 由于 电极间安插了介质的作用 可以防止在放电空间形成局部火花或是弧光放电 而 且能够形成大气压下稳定的气体放电 因此这种放电也叫做无声放科3 6 1 它可以用 频率从5 0 h z 至 几十m h z 的高电压来启动 3 刀 在放电过程中 辉光放电容易向丝状放电转化 丝状放电与辉光放电相比 其最主要的区别是放电在时空上的不均匀性且产生的能量更高 丝状放电在电极 间产生不稳定且电流密度很高的放电细丝 并发出嘶嘶的声音 丝状放电通道的 寿命一般在5 0 n s 以内 当放电电源的频率在k h z 量级时 在每个放电周期内 大量 丝状放电通道时间上随机产生 在放电电流波形中表现为每个放电周期内部出现 多个放电电流尖峰 所以要解决辉光向丝状转化的关键是控制能量的输出 2 大气压下介质阻挡辉光放电的研究进展 美国田纳西大学的r o t h m o n t i e 研究组 3 8 4 0 1 5 作了直接 间接曝光型大气压空 气d b d 并用于等离子体灭菌 弗吉尼亚大学l a r o u s s i 研究组分别应用了增强型电晕放电 4 在直流和工频交 流 6 0h z 条件下工作的高阻抗d b d t 4 z 水介质层d b d t 4 3 以及脉冲放电等离子体 羽m 等不同形式的大气压辉光放电 日本o k a z a k i 研究组 4 s 和法i 垂i m a s s i n e s 研究组 4 6 提出并验证了工频均匀放电的 判据 其中o k a z a k i 使用网孔电极和介质阻挡材料实现了工频氦气和氮气的均匀放 电 乌克兰国家科学院物理研究所 4 7 研究了水蒸气在a p g d q a 的作用 经过大量的实验研究 得出了判断何为丝状放电或辉光放电的标准 图2 3 和 1 2 大气压下的辉光放电等离子体 图2 4 分别是他们在实验中获得的丝状放电和大气压辉光放电电流波形 在辉光放 电的每半周期内 气体击穿会出现一次放电电流 l i 一 l l l i 一 l l 一 一 it 璎 r辨 h l l j l o 略 图2 3 丝状放电电流波形 f i g 2 3c u r r e n tw a v e f o r mo ff i l a m e n t o u sd i s c h a r g e 图2 4 大气压辉光放电电流波形 f i g 2 4c u r r e n tw a v e f o r mo fa t m o s p h e r i cp 1 e s s u r eg l o wd i s c h a r g e 3 典型电极结构 大气压下实现介质阻挡辉光放电的电极结构有很多种 但最常用的还是平板 介质阻挡放电 如下图2 5 为电极结构示意图 图2 5 典型的介质阻挡放电装置结构 北京交通大学硕士学位论文 f i g 2 5t y p i c a ls t r u c t u r a ld i a g r a m so fd b d d e v i c e 图2 5 a b c 为平板介质阻挡电极 图2 5 a 结构简单 可以通过金属电 极把放电产生的热量散掉 图2 5 b 放电发生在两介质之间 避免了等离子体与金 属电极直接接触 对于具有腐蚀性的等离子体更有优势 在电极间安插介质可以 防止在放电空间形成局部火花或弧光放电 而且能够形成通常大气压强下稳定的 气体放电 上述几种电极结构是被用作为等离子发生器放电电极最典型的结构 笔者也 将在后文中利用上文提到的电极结构进行了研究 努力朝实现大气压下空气中的 辉光放电的方向前进 2 3 等离子体灭菌 等离子体具有灭菌效果 这是不容置疑的 笔者对它进行研究 最终的目标 是能