电晕和辉光放电等离子体技术与应用.ppt

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1、8电晕和辉光放电等离子体技术与应用8.1电晕和辉光放电等离子体机理分析8.1.1电晕放电电晕放电常采用非对称电极（如针-板电极、针-针电极等），在电极曲率半径小的地方电场强度特别高，容易形成电子发射和气体电离，可在常压条件下形成电晕。针电极平板电极进气口出气口等离子体区催化剂10-1010-810-610-410-211001000电流I/AVBA辉光放电暗放电弧光放电汤森区BDFF′GHJCEIK本底电离饱和区电晕击穿电压正常辉光异常辉光Themal辉光到弧光的跃变V<1/I电压/Ｖ气体放电伏安特性曲线直流电晕交流电晕高频电晕根据放电产生电晕的电源来源和频率可分为正电晕负电晕电晕放电类

2、型爆发式脉冲电晕流注电晕辉光电晕特里切尔电晕正负电晕的形成机理负电晕的形成机理——场生雪崩放电理论：针状阴极电晕发光区内存在较强烈的电离与激发，电流密度大，在负电晕的外围只存在单一的带负电的粒子。正电晕的形成机理——流光理论：一旦产生正电晕放电，电晕层内强电场中激发粒子的光辐射产生电子即光致电离，所形成的电子在电晕层中引起雪崩放电，产生大量激发和电离，最后电子被阳极收集，正离子经过电晕层，进入电晕外围向阴极迁移。根据能量提供方式，金属中电子发射可分为以下几种情况：高温导致的热电子发射；强电场导致的场致发射；光照导致的光致发射；电子撞击产生的次级电子发射；金属表面力学作用（摩擦、形变等）或

3、化学反应导致的自由电子发射10-1010-810-610-410-211001000电流I/AVBA辉光放电暗放电弧光放电汤森区BDFF′GHJCEIK本底电离饱和区电晕击穿电压正常辉光异常辉光Themal辉光到弧光的跃变V<1/I电压/Ｖ气体放电伏安特性曲线8.1.2辉光放电阳极阴极放电管双探针螺母，旋开后可调节极距DH2005型直流辉光放电等离子体装置：等离子体辉光放电的唯相结构阳极辉区正柱区法拉第暗区阴极辉区阿斯顿暗区阳极暗区和负极辉光区在实验中并没有观测到;电压增大，正柱区长度减小正柱区一端是半球体，可能是未电离的氩气流动对辉光放电的影响d=155mm,P=40Pa实验中观察到的

4、各区分布图一些情况下的辉光图片对于外加磁场等离子体辉光现象的描述正柱区有周期性明暗变化不加磁场前8.2等离子体鞘层效应8.2.1等离子体鞘层效应（1）鞘层模型当等离子体空间遇到固体（电极、反应器壁、催化剂等）时，会在固体表面产生电荷积累，形成等离子体鞘层。当等离子体电位高于固体电位时，在固体电位附近吸引正离子形成了离子包围的电荷层，称为离子鞘；反之，等离子体电位低于固体电位时，在固体电位附近吸引电子排斥离子，形成电子包围的电荷层，称为电子鞘。通常，等离子体鞘层与等离子体之间有一段准中性等离子体过渡区。表征固体表面等离子体鞘层特征的重要参数包括：鞘层的厚度XS、固体表面电位V0、鞘层电子密

5、度ne、离子密度ni、电位梯度V(x)等------等离子体鞘层XSV0V0等离子体ni≈neV(x)≈0Ni(X)>ne(X)V(x)<0固体（2）鞘层厚度在冷等离子体中，Te》Ti，因此鞘层的有效厚度为表明固体鞘层厚度随离子温度上升而增加，随等离子体内离子密度增加而减小。（3）固体表面电位上式表明，固体表面为负电位，电位绝对值随电子温度增加而上升，随离子温度增加而下降。在冷等离子体中，电子温度与离子温度的非平衡性，使得固体表面具有较大的负电位。（4）鞘层效应对催化剂功能的影响电晕等离子体中的催化剂表面将形成鞘层，具有负电位，假如在甲烷冷等离子体中，平均电子温度为6.0eV，平均离子温

6、度为1/30eV时，催化剂表面的电位约为33eV。该电位会影响催化剂表面的特征（如金属催化剂表面电子功函数），导致催化性能改变。8.3电晕和辉光放电等离子体技术在化工中的应用——甲烷和二氧化碳制合成气、甲烷偶联制碳二烃8.3.1利用电晕放电冷等离子体技术，甲烷和二氧化碳制合成气（1）CH4-CO2反应体系的热力学分析CH4+CO2——2CO+2H2CO2+H2——CO+H2O2CH4——C2H2+3H2C2H2——2C+H2CH4+4H2——CH4+2H2O2CO——C+CO2CH4——2C+2H2（2）甲烷和二氧化碳制合成气实验CO2CH4反应器四级质谱仪多功能等离子体发生器气相色谱仪

7、1热电偶1冷阱皂沫流量计1-质量流量计及控制仪（3）电晕放电结果分析（1）电晕放电反应的伏安特性A电晕放电电流大小由放电电压决定，其值随放电电压的增加而上升B电晕放电类型不同，击穿电压不同。正电晕的击穿电压最大，负电晕次之，交流电晕的击穿电压值最小。C混合气体的击穿电压与原料中CH4/CO2比值有关，除纯气体放电外，一般比值小的混合气击穿电压较高，比值一定时，负电晕比正电晕较易发生击穿。D反应体系温度升高，击穿电压稍有降低但变化不明