低溫等離子體技術(shù)

等離子體是一種在特定條件下電離的氣體物質(zhì)，被稱為物質(zhì)的第4態(tài)。由帶電的離子、電子以及中性粒子組成，整個(gè)體系呈電中性。宇宙中99．9%的物質(zhì)都處于等離子體的狀態(tài)。

為了研究的需要常把等離子體分為高密度和低密度的;穩(wěn)態(tài)的和瞬態(tài)的;強(qiáng)電離和弱電離的;熱力學(xué)平衡和非熱力學(xué)平衡的，等等。但最常見的是按溫度分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體是熱力學(xué)平衡的等離子體，熱力學(xué)溫度為106~108K。低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體，熱等離子體是熱力學(xué)平衡或近熱力學(xué)平衡的等離子體，其熱力學(xué)溫度為103~10°K，如電弧等離子體、高頻等離子體和燃燒等離子體。冷等離子體是非熱力學(xué)平衡的等離子體，其電子溫度T。為3×(102~105)K，而電子溫度和氣體溫度T,之比:T./TR=10~100。如低氣壓輝光放電等離子體、介質(zhì)阻擋放電等離子體等。由于低溫等離子體是一種處于非熱平衡狀態(tài)的等離子體，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，電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子或中性粒子的溫度，并且整體溫度接近于室溫，所以稱之為低溫等離子體。

低溫等離子體產(chǎn)生方式

低溫等離子體通常通過氣體放電的形式獲得。根據(jù)放電形式的不同，低溫等離子體可以分為下述幾種：輝光放電(glowdischarge)、電暈放電（coronadischarge)、介質(zhì)阻擋放電(dielectricbarrierdischarge)以及大氣壓下輝光放電（atmosphericpressureglowdischarge)。

輝光放電(GlowDischarge) 　　

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。到2013年止的應(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? 。

電暈放電(CoronaDischarge)

氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電。是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，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 。 　

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10～10。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 。

實(shí)際上，要使電子和離子以及原子達(dá)到熱平衡，必須具有非常高的壓力和溫度。熱等離子體的典型事例是恒星。顯然，熱等離子體是不適宜用來處理材料的，因?yàn)榈厍蛏蠜]有哪種材料能夠耐受熱等離子體的溫度。與熱等離子體相比，低溫等離子體的溫度僅在室溫程度或者稍高，電子具有比離子和原子更高的溫度，一 般能夠達(dá)到 0.1~10 個(gè)電子伏。而且由于氣體的壓力低， 電子與離子之間的碰撞很少，因而不能達(dá)到熱力學(xué)平衡。由于低溫等離子體的溫度在室溫范圍，因而可以在材料領(lǐng)域內(nèi)獲得應(yīng)用。

低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用

低溫等離子體技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)由20世紀(jì)60年代初的空間等離子體研究向20世紀(jì)80年代和90年代以材料為導(dǎo)向的研究領(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、醫(yī)學(xué)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)。

等離子體應(yīng)用是一個(gè)具有全球性影響的重要的科學(xué)與工程,對(duì)高科技產(chǎn)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。在高新技術(shù)領(lǐng)域,低溫等離子體具有其他技術(shù)無法替代的優(yōu)勢。低溫等離子體提供了獨(dú)特的化學(xué)活性環(huán)境，被廣泛地應(yīng)用于材料制備、結(jié)構(gòu)制造、表面改性等。在傳統(tǒng)工業(yè)改造方面,尤其是在能源和環(huán)保領(lǐng)域,等離子體應(yīng)用也日益增多,如節(jié)能新工藝、能源化工,煤的氣化等。在國家安全方面,低溫等離子體除了應(yīng)用于核爆炸模擬以外,還可用于多種國防技術(shù),例如等離子體天線,利用等離子體與電磁波相互作用開展的等離子體隱身、等離子體動(dòng)能武器等等。

等離子體科學(xué)是一門快速成長的學(xué)科,如近年來發(fā)展起來的新型放電技術(shù)如大氣壓等離子體、微放電等離子體,它們極大地豐富了低溫等離子體的研究空間，產(chǎn)生了許多新效應(yīng),新現(xiàn)象。令人欣慰的是,在當(dāng)前的能源危機(jī)、環(huán)境變暖、疾病傳播等重大問題方面,等離子體科學(xué)和技術(shù)的作用已經(jīng)日趨顯現(xiàn),如等離子體聚變,煤裂解、甲烷轉(zhuǎn)化,等離子體垃圾處理,等離子體抗菌滅菌,細(xì)胞的培養(yǎng)等?？梢韵嘈?隨著等離子體科學(xué)研究的深入,作為一種高效,綠色的新型技術(shù),等離子體技術(shù)一定能為解決社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中遇到的問題和困難做出重要貢獻(xiàn)。