低温等离子体技术应用研究进展.doc

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1、低温等离子体技术应用研究进展1、引言等离了体作为物质存在的第四态不仅已为人们所认识，而且等离子体技术已进入广泛的实际应用领域⑴叫等离了体指部分或完全电离的气体，且白由电子和离了所带正、负电荷的总和完全抵消，幺观上呈现屮性电。国际上将等离了体分为热等离了体（Hotplasma）和冷等离了体（Coldplasmas）

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3、o热等离了体的电离率接近100%,电子和离子温度相当，属于（准）热平衡等离了体。如等离子体弧、火箭发动机的等离了体射流，热核聚变等离了体。冷等离了体的电离率很低（1CT1—10%）,电了温度远大于离子温度，属于非热平衡等离了体）

4、。国内学者将等离了体划分成三类：高温等离子体（热核聚变等离了体）；热等离了体（等离了体弧、等离了体炬等）；冷等离了体（低气压交直流、射频、微波等离了体以及高气压介质阻描放电、电晕放电、RF放电等）。而把热等离子体和冷等离子体归纳到低温等离子体屮。从物理学的角度划分，笔者倾向于将热平衡态等离了体归为一类。木文所介绍的低温等离了体是非平衡的冷等离子体。低温等离子体的电离率较低，电了温度远高于离了温度，离了温度甚至可与室温相当。所以低温等离了体是非热平衡等离了体。低温等离了体屮存在着大量的、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒了种类更多

5、、活性更强，更易于和所接触的材料表血发生反应，因此它们被用来对材料表面进行改性处理。与传统的方法相比，等离了体表面处理具有成木低、无废弃物、无污染等显著的优点，同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。20世纪七八十年代起,等离了体在对金属、微电了、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展，形成向多学科交叉的研究方向。早期的大部分工作主要集屮在低气压低温等离子体环境下的等离子体表面改性研究，为了工业应用的便利和廉价，最近儿年来，大气压非平衡等离了体发生技术及其应用是目前备受关注的热点，涉及应用领域也非常宽广。

6、正因为如此，笔者受知识面的限制，在有限的篇幅内，很难做到全面介绍等离了体技术应用研究的全貌。为了便于不同知识背景的读者对低温等离了体学科的理解，木文尽量通俗易懂地对低温等离子体技术做介绍，并扼要的介绍当前应用研究关注的儿个方面。2、低温等离子体发生技术小"rti于应用领域的不同，对等离了体的参数要求不一样，因而也就形成了低温等离了体发生技术及其物理性质的研究。描述等离了•体特性的参数主要是粒了的平均自由程(meanfreepath).徳拜长度(Debyelength).等离子体温度和平均电了能量。对应于不同的应用，要求的等离了体参数不同，相应的

7、等离了体发生技术也不同。产生低温等离子体的手段很多，可用紫外辐射、X射线、电磁场、加热等方法。实验室和工业产品大祁采用电磁场激发等离了体。如直流辉光放电、射频放电、微波放电和介质阻扌当放电(DBD)等。直流辉光放电(DCglowdischarges)是在102^102Torr.的低气压下，在两个导电电极(阴极和阳极)Z间加上IO?〜1(?V的育流电压。放电腔体屮的游离电了(宇宙射线产生的)在电场的作用下，被加速而获得能量，从而与屮性气体碰撞电离形成等离了体。在较低电压的情况下，主要以弹性为主。在高电圧的情况下，主要以非弹性碰撞为主，电了能够获得

8、足够能量，电离并维持放电，放电电流增大。另外，离了在电场作用下撞击阴极引起二次电了发射，电了在向阳极加速运动的过程屮与气体分了碰撞，使气体电离、放电过程得以维持。击穿电压(Breakdown)也称域值电压吟与气压p和放电间距d的关系是：C2+ln(pd)其屮C1和C2是与气体性质有关的常数。直流辉光等离了体的特征是具有明显的明暗区，明暗区的分布和大小与气压、放电管的形状大小、电极间距的关系十分敏感。直流辉光放电等离子体白身的特点限制了它的实际应用，主要有三个问题：⑴放电腔体几何形状影响放电特性；(2)需要裸爾的电极；(3)电极材料对等离子体污染

9、。任何需要等离子体处理的材料置于等离子体中，都将影响等离子体的分布，导致处理的不均匀性。因等离了体轰击而溅射出的电极材料也对处理物带来污染。另外，DC辉光放电等离了体的大部分能量用于材料温度的升高，耗散功率大。参数的独立性也受到限制，处理绝缘材料困难。低频交流放电等离子体(LowfrequencyACdischarges)可以克服直流辉光放电等离了体的不均匀性。实际上是在两个电极上供给100Hz以下的高压，每个半周期就是一次瞬间的DC放电。维持这样的每个半周期改变极性能再次激发放电，对正离了的寿命有一定的要求，这里定义一个离子的临界频率人=仝二

10、，电源的频率和临界频率控制正离子在两个半周2L期的寿命。vu>d是离了平均漂移速度，L是两电极的间距。电场频率高于离了的临界频率/；•时，在放电的半周