(优选)介质阻挡放电DBD
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E 25kV / cm Eg Ec E
空气间隙会发生击穿
击穿之后，介质层表面充电，气体隙的电场迅 速减弱。如果空气隙电场将为零，那么介质层 内的电场强度为
Ed 41.7kV / cm
可见介质阻挡放电的电流是靠介质层上的位移 电流维持的。
介质阻挡放电的等效电路
介质阻挡放电的放电电压
放电电压就是放电击穿过程中，气体间隙上的电压。
• 这种放电看似均匀稳定，但实际上它有大量细致 的快脉冲放电通道,通常放电空间的气体压强为 104Pa- 105Pa或更高。
4
介质阻挡放电的电极结构
5
• 在大气压下（105Pa），这种气体放 电呈现微通道的放电结构，即通过放 电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝 构成。电流细丝在放电空间和时间上 都是无规则分布的。这种电流细丝也 称为微放电。每个微放电的时间过程 都非常短促，寿命不到10ns，而电流 密度却很高。在介质表面上微放电扩 散成表面放电，这些表面放电呈现明 亮的斑点，大的可达几个毫米。
未击穿时，气体间隙上的电压正比于外加电压而变化。击 穿之后，由于介质表面的充电效应，使得气体间隙的电压 变化减小。
当放电间隙上的电压V g<Vb,不发生放电现象。
Vg
dlg lg d 2ld g
V
当放电间隙上的电压V g=Vb, 发生放电现象，有微放电电 流。如果放电电流够大，放电一直持续到达到外加电压峰
2
低温等离子体的发生技术
• 直流辉光放电 • 低频放电等离子体 • 高频放电等离子体 • 非平衡大气压等离子体放电 • 介质阻挡放电
3
介ห้องสมุดไป่ตู้阻挡放电
• 介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种 气体放电。介质可以覆盖在电极上或悬挂在放电 空间。这样当在放电电极上施加足够高的交流电 压时，电极间的气体即使在很高的气压下，也会 被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。
（优选）介质阻挡放电DBD
USTC ABCD Lab
等离子体的分类
• 2、按等离子体所处的状态：
（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子
温度与气体温度大致相等的等离子体。如 常压下的电弧放电等离子体和高频感应等 离子体。
（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，
电子温度远远大于气体温度的等离子体。 如低气压下 DC辉光放电和高频感应辉光放 电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的 冷等离子体。
值，在整个放电过程中，Vg基本保持不变。
（5）正负半周的微 放电不是对称的。
微放电的时间特性;
(1)持续时间很短， ns级。与气体种 类有关
(2)电流脉冲的幅度 也是不同的。
(3)脉冲的上升和下 降行为不同。也 与气体种类有关
为什么出现介质阻挡放电形式？
（1）高气压下，击穿通道很集中，局部密度很高，产 生不稳定（重复性不高，发生位置不稳定）和空间不 均匀。
11
介质阻挡放电的条件：
(1) 交流电压产生交流电场，50Hz—1MHz (2) 气压范围宽阔0.1atm-10atm. (3) 放电间隙通常不大，看似仍然服从帕邢定律
介质阻挡放电的形态：
(1) 虽然宏观看似均匀，实际上是大量微小的流光放电状态。 (2) 微小放电是脉冲的，持续时间为10ns一下。认定为流光. (3) 微放电脉冲在空间是均匀分布的，有时出现规则分布，斑
Dd d Ed Dg g Eg
如果施加的电压为V
V 2ld Ed lg Eg
例子：空气中，ld=0.3cm, lg=0.4cm, 施加的电压为25kV, 介电系数分别为1和4
Ed
V g lg d 2ld g
Eg
V d lg d 2ld g
Ed 11.4kV / cm Eg 45.4kV / cm Ec 30kV / cm
(5)介质的存在阻断了击穿通道（流光击穿通道）的 形成，不能形成火花或者电弧。
介质阻挡放电的应用
介质阻挡放电（DBD）能够在大气压下产生大 体积、高能量密度的低温等离子体，不需要真空设 备就能在室温或接近室温条件下获得化学反应所需 的活性粒子。广泛应用于臭氧发生和DBD等离子体 材料表面改性等方面。
（2）抑制流光放电的途径：截断流光通道 （3）电极因素很重要，电极发热消耗功率很大。 （4）高频条件下，击穿条件温和。 （5）介质层的分割，可以实现不同气体的同时放电。 （6）极端不平衡放电：脉冲放电特性所决定。
介质阻挡放电空间的电场分布
如图所示的放电位型，两层介质和一层气体间隙， 介质层厚度为ld, 气体间隙为lg 采用平行板电场近似，介质内和气体隙内的电感应 强度是连续的
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介质阻挡放电的机制
• 这个电场将会向阴极传播。在传播过程中原子和 分子得到进一步的电离，并激励起向阴极传播的 电子反向波。这样一个导电通道能非常快的通过 放电间隙而造成气体的击穿。
• 当气体被击穿，导电通道建立后，空间电荷在放 电间隙间输送，并积累在介质上。这时介质表面 电荷将建立起电场，直到将原来的外加电场削弱 为零，以至于中断了放电电流。
图现象 (4) 微放电的尺寸为0.1mm以下，电流密度很大100-
1000A/cm2, 这也是判定为流光放电的依据之一。 (5) 微放电在电极表面扩展为几个mm的表面放电。
微放电的伏安特性
（1）微放电电流表 现为大量电流脉冲
（2）正负放电半周 内均出现放电。
（3）存在击穿阈值
（4）通常情况下， 电流脉冲的出现不是 均匀的，电流大小也 是随机的
空气中微放电在介质表面斑点的照片
7
介质阻挡放电的机制
• 当电极两端加上交流电压时，在半个周期 内，可以认为是直流放电。在第一个电子 雪崩通过放电间隙的过程中出现了相当数 量的空间电荷。他们聚集在雪崩头部。
由于电子运动速度快，电子 集中在雪崩的球状头部，正 离子滞后于电子而在雪崩的 后部。这样就产生了一个自 感电场叠加在外电场上，同 时对电子产生影响。
9
介质阻挡放电的宏观特点：
(1)放电是交流放电，没有直流导电通道
(2)放电形态是分布于放电空间内，不会局域于某个 放电通道上，形成类似于辉光的状态。弥漫、稳定、 无声。早期称为无声放电
(3)放电分布于介质外围的放电空间内。
(4)很大的气压范围内都可以发生。辉光放电只是在 低气压下发生，高气压下是火花、电晕或电弧状态
空气间隙会发生击穿
击穿之后，介质层表面充电，气体隙的电场迅 速减弱。如果空气隙电场将为零，那么介质层 内的电场强度为
Ed 41.7kV / cm
可见介质阻挡放电的电流是靠介质层上的位移 电流维持的。
介质阻挡放电的等效电路
介质阻挡放电的放电电压
放电电压就是放电击穿过程中，气体间隙上的电压。
• 这种放电看似均匀稳定，但实际上它有大量细致 的快脉冲放电通道,通常放电空间的气体压强为 104Pa- 105Pa或更高。
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介质阻挡放电的电极结构
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• 在大气压下（105Pa），这种气体放 电呈现微通道的放电结构，即通过放 电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝 构成。电流细丝在放电空间和时间上 都是无规则分布的。这种电流细丝也 称为微放电。每个微放电的时间过程 都非常短促，寿命不到10ns，而电流 密度却很高。在介质表面上微放电扩 散成表面放电，这些表面放电呈现明 亮的斑点，大的可达几个毫米。
未击穿时，气体间隙上的电压正比于外加电压而变化。击 穿之后，由于介质表面的充电效应，使得气体间隙的电压 变化减小。
当放电间隙上的电压V g<Vb,不发生放电现象。
Vg
dlg lg d 2ld g
V
当放电间隙上的电压V g=Vb, 发生放电现象，有微放电电 流。如果放电电流够大，放电一直持续到达到外加电压峰
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低温等离子体的发生技术
• 直流辉光放电 • 低频放电等离子体 • 高频放电等离子体 • 非平衡大气压等离子体放电 • 介质阻挡放电
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介ห้องสมุดไป่ตู้阻挡放电
• 介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种 气体放电。介质可以覆盖在电极上或悬挂在放电 空间。这样当在放电电极上施加足够高的交流电 压时，电极间的气体即使在很高的气压下，也会 被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。
（优选）介质阻挡放电DBD
USTC ABCD Lab
等离子体的分类
• 2、按等离子体所处的状态：
（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子
温度与气体温度大致相等的等离子体。如 常压下的电弧放电等离子体和高频感应等 离子体。
（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，
电子温度远远大于气体温度的等离子体。 如低气压下 DC辉光放电和高频感应辉光放 电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的 冷等离子体。
值，在整个放电过程中，Vg基本保持不变。
（5）正负半周的微 放电不是对称的。
微放电的时间特性;
(1)持续时间很短， ns级。与气体种 类有关
(2)电流脉冲的幅度 也是不同的。
(3)脉冲的上升和下 降行为不同。也 与气体种类有关
为什么出现介质阻挡放电形式？
（1）高气压下，击穿通道很集中，局部密度很高，产 生不稳定（重复性不高，发生位置不稳定）和空间不 均匀。
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介质阻挡放电的条件：
(1) 交流电压产生交流电场，50Hz—1MHz (2) 气压范围宽阔0.1atm-10atm. (3) 放电间隙通常不大，看似仍然服从帕邢定律
介质阻挡放电的形态：
(1) 虽然宏观看似均匀，实际上是大量微小的流光放电状态。 (2) 微小放电是脉冲的，持续时间为10ns一下。认定为流光. (3) 微放电脉冲在空间是均匀分布的，有时出现规则分布，斑
Dd d Ed Dg g Eg
如果施加的电压为V
V 2ld Ed lg Eg
例子：空气中，ld=0.3cm, lg=0.4cm, 施加的电压为25kV, 介电系数分别为1和4
Ed
V g lg d 2ld g
Eg
V d lg d 2ld g
Ed 11.4kV / cm Eg 45.4kV / cm Ec 30kV / cm
(5)介质的存在阻断了击穿通道（流光击穿通道）的 形成，不能形成火花或者电弧。
介质阻挡放电的应用
介质阻挡放电（DBD）能够在大气压下产生大 体积、高能量密度的低温等离子体，不需要真空设 备就能在室温或接近室温条件下获得化学反应所需 的活性粒子。广泛应用于臭氧发生和DBD等离子体 材料表面改性等方面。
（2）抑制流光放电的途径：截断流光通道 （3）电极因素很重要，电极发热消耗功率很大。 （4）高频条件下，击穿条件温和。 （5）介质层的分割，可以实现不同气体的同时放电。 （6）极端不平衡放电：脉冲放电特性所决定。
介质阻挡放电空间的电场分布
如图所示的放电位型，两层介质和一层气体间隙， 介质层厚度为ld, 气体间隙为lg 采用平行板电场近似，介质内和气体隙内的电感应 强度是连续的
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介质阻挡放电的机制
• 这个电场将会向阴极传播。在传播过程中原子和 分子得到进一步的电离，并激励起向阴极传播的 电子反向波。这样一个导电通道能非常快的通过 放电间隙而造成气体的击穿。
• 当气体被击穿，导电通道建立后，空间电荷在放 电间隙间输送，并积累在介质上。这时介质表面 电荷将建立起电场，直到将原来的外加电场削弱 为零，以至于中断了放电电流。
图现象 (4) 微放电的尺寸为0.1mm以下，电流密度很大100-
1000A/cm2, 这也是判定为流光放电的依据之一。 (5) 微放电在电极表面扩展为几个mm的表面放电。
微放电的伏安特性
（1）微放电电流表 现为大量电流脉冲
（2）正负放电半周 内均出现放电。
（3）存在击穿阈值
（4）通常情况下， 电流脉冲的出现不是 均匀的，电流大小也 是随机的
空气中微放电在介质表面斑点的照片
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介质阻挡放电的机制
• 当电极两端加上交流电压时，在半个周期 内，可以认为是直流放电。在第一个电子 雪崩通过放电间隙的过程中出现了相当数 量的空间电荷。他们聚集在雪崩头部。
由于电子运动速度快，电子 集中在雪崩的球状头部，正 离子滞后于电子而在雪崩的 后部。这样就产生了一个自 感电场叠加在外电场上，同 时对电子产生影响。
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介质阻挡放电的宏观特点：
(1)放电是交流放电，没有直流导电通道
(2)放电形态是分布于放电空间内，不会局域于某个 放电通道上，形成类似于辉光的状态。弥漫、稳定、 无声。早期称为无声放电
(3)放电分布于介质外围的放电空间内。
(4)很大的气压范围内都可以发生。辉光放电只是在 低气压下发生，高气压下是火花、电晕或电弧状态