低溫等離子體及其應用介紹

低溫等離子體技術(shù)

等離子體通常被簡(jiǎn)單定義為部分電離的氣體，它由激發(fā)態(tài)的原子和分子、正負離子、自由基、電子、光子等 組成，整體表現出電中性。等離子體一般分為平衡態(tài)等離子體和非平衡態(tài)等離子體。平衡態(tài)等離子體也稱(chēng)為熱等離子體，它的特點(diǎn)是內部所有的粒子，都達到了熱平衡的狀態(tài)。實(shí)際上，要使電子和離子以及原子達到熱平衡，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(lái)處理材料的，因為地球上沒(méi)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)域內獲得應用。

低溫等離子體通常通過(guò)氣體放電的形式獲得。根據放電形式的不同，低溫等離子體可以分為下述幾種：

輝光放電(GlowDischarge)   

輝光放電屬于低氣壓放電(low pressure discharge)，工作壓力一般都低于10mbar，其構造是在封閉的容器內放置兩個(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)驗時(shí)若發(fā)現等離子的顏色有誤，通常代表氣體的純度有問(wèn)題，一般為漏氣所至。輝光放電是化學(xué)等離子體實(shí)驗的重要工具，但因其受低氣壓的限制，工業(yè)應用難于連續化生產(chǎn)且應用成本高昂，而無(wú)法廣泛應用于工業(yè)制造中。到2013年止的應用范圍僅局限于實(shí)驗室、燈光照明產(chǎn)品和半導體工業(yè)等  。

電暈放電(CoronaDischarge)

氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電。是最常見(jiàn)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(chǎng)強度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現電暈放電。發(fā)生電暈時(shí)在電極周?chē)梢钥吹焦饬?，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對穩定的放電形式，也可以是不均勻電場(chǎng)間隙擊穿過(guò)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(chēng)介質(zhì)阻擋電暈放電或無(wú)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工作，通常的工作氣壓為10～10。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結構的設計形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間充滿(mǎn)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)際應用中，管線(xiàn)式的電極結構被廣泛的應用于各種化學(xué)反應器中，而平板式電極結構則被廣泛的應用于工業(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 。

低溫等離子體殺菌消毒技術(shù)的應用

低溫等離子體消毒技術(shù)的優(yōu)勢非常突出，基本集中了其他多種殺菌消毒技術(shù)的各種優(yōu)勢，比如該技術(shù)和干熱滅菌、高壓蒸汽滅菌相比而言，消毒滅菌的時(shí)間消耗更短。和化學(xué)滅菌方法相較而言，具有低溫的優(yōu)勢，可以在多種物品、材料中應用。尤其是將電源切斷后，各種活性粒子可以快速消失，只有數豪秒鐘時(shí)間，并不需要特意通風(fēng)，對操作人員也不會(huì )造成任何傷害，因此更加安全可靠，值得廣泛推廣。

低溫等離子體的電離率較低，電子溫度遠高于離子溫度，離子溫度甚至可與室溫相當。所以低溫等離子體是非熱平衡等離子體。低溫等離子體中存在著(zhù)大量的、種類(lèi)繁多的活性粒子，比通常的化學(xué)反應所產(chǎn)生的活性粒子種類(lèi)更多、活性更強，更易于和所接觸的材料表面發(fā)生反應，因此它們被用來(lái)對材料表面進(jìn)行改性處理。