等离子体技术

等离子体技术及其应用
姓名：曲越
学号：14121452
班级：电研1403班
北京交通大学
2014年11月
北京交通大学目录
目录
1引言 (1)
2等离子体相关理论及技术 (2)
2.1等离子体的运动与碰撞 (2)
2.2等离子体的电离 (2)
2.2.1汤生放电 (3)
2.2.2电晕放电 (3)
2.3等离子体的参数 (3)
2.4等离子体的产生与测量 (4)
2.4.1直流放电 (4)
2.4.2等离子体的测量 (5)
3等离子体的应用技术 (6)
3.1电晕放电脱硫技术 (6)
3.1.1电晕放电在净化粉尘与飘尘的应用 (6)
3.1.2电晕放电等离子体在气体脱硫中的应用 (7)
4结论 (9)
参考文献 (10)
北京交通大学引言
1引言
等离子体，一门比较新型的学科，区别于传统的理论基础，等离子体研究的方向与应用在传统的角度来看会显得不可思议，而且。

等离子体这门学科，打破了本人对传统观念的一些看法，比如众所周知，物体分为固体、液体、气体；而在本门学科里，我们认识了一种新的状态，及物质的第四态—等离子态，这种物质的状态在宇宙中处处存在，由于宇宙中恒星的照射或者爆炸产生大量的热，相互碰撞就能使气体分子产生电离，就能变成自由移动并相互作用的正离子和电子组成的混合物，而这就是等离子体，其严格定义就是：等离子体是由电子、阳离子和中性粒子组成的整体上呈电中性的物质集合。

宇宙中存在大量的等离子体研究等离子体，对我们探索宇宙有重要的意义。

等离子体是广泛存在与自然界的一种电中性的电离气体，具有密度近似相等的自由电子和正离子[1]，内部共存的电子与分子，相互之间的碰撞释放大量的能量，使得等离子体有许多独特的化学、物理性质，比如温度高、动能大等，本文将会从微观与宏观两个角度来分析等离子体的碰撞问题，并解释等离子体的产生与测量，全面了解等离子体的特性。

等离子体由于其特殊的内部结构，广泛应用于不同领域，而且变得越来越重要，小到日常的荧光灯、霓虹灯，大到宇宙领域的大气电晕放电，等离子体与人类的关系变得息息相关，本文，从等离子体的电离性质，对脱硫技术做详细介绍。

2等离子体相关理论及技术
通常，等离子体存在于电子、正离子和中性粒子，根据电离程度的不同可以分为强电离等离子体与弱电离等离子体；而等离子体放电是在接近大气压的高气压条件下进行，那么电子、离子、中性粒子会通过激烈的碰撞打到热平衡状态，这些近似相等的热平衡等离子体成为热等离子体，而在数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态，这种等离子体被成为等离子体，低温等离子体在工业中应用的最为广泛，后续我们会对其做详细的介绍。

2.1等离子体的运动与碰撞
如果想了解等离子体的运动与碰撞问题，我们不得不说粒子的平均自由行程。

首先用数学语言描述了气体的分子运动与热能的关系，凸显这一关系的方程是：Ρ=nΚΤ，由上式可知，当分子数为Ν，速度由ν变为ν+dν，则分子数变为dΝ=Ν∙f(ν) dν,式中f(ν)的大小与气体的温度有关。

而碰撞的描述，主要是平均自由行程的引入，在1857年提出了气体分子平均自由行程的概念，为气体的分子模型和分子运动奠定了基础[2]，平均自由行程的定义是指两次碰撞之间一个粒子所走的距离。

假设粒子的速度为ν，则构建一个模拟图如图2-1所示：
γ
在此处键入公式。

dl
图2-1 碰撞模型
假设面积为S=ν∙λ，即
{4πγ2.n dl=νdt
dl=S.dt →λ=1
4πγ2n
由上式可知，平均自由行程与粒子的数量和运行速度等参数有关。

举个例子，分子的空间相当于一个教室，而电子相当于教室里的一个篮球，分子间的平均自由行程小于电子的平均自由行程，因而分子的有效碰撞多于电子的有效碰撞。

2.2等离子体的电离
粒子发生碰撞时，动能和内能都会发生变化。

首先是粒子的内能，当原子受到
外来电子的碰撞时，原子核会获得一定的动量，导致电子的运动轨迹离核越来越远，而有可能成为自由电子。

稳定的电子处于基态，当电子受到碰撞时，会从基态跃迁到激发态，而激发态是不稳定的，电子会以光和热的形式将能量释放掉，最终回到基态。

2.2.1汤生放电
等离子体的电离分为光电离、热电离、碰撞电离、电极表面的电离；在上述电离中，不是说中性粒子直接能电离，电极两端加极高的电压，产生了自由移动的电子，但是由于电子的电子付着与再结合的特性。

使得电离的电子产生并消失。

而汤生放电就很好的解释了电离的机理。

1.电离系数 α作用
电子从单个电子发生碰撞电离到电子数目像雪崩一样不断增加的过程，其增加的公式为Ι=Ι0∙eαx，电离系数越高，电子增长越快。

2.β作用
离子与气体分子碰撞所产生的电离
3.γ作用
离子或光子在高能状态下轰击物体表面时，表面会发射电子，即二次电子发射。

我们把阴极发射的二次电子数与入射到阴极的离子数之比定义为二次电子发射系数，即γ作用。

仅由电子的α作用来产初始电子，电流经过一个脉冲就会终止，但如果同时再加上离子的γ作用，则会不断地从阴极补充种子电子而使放电自然而持续下去。

而我们所知的汤生放电电流是微安级、辉光放电是毫安级、电弧放电是安培级的。

2.2.2电晕放电
汤生放电是在平行平板电极间施加均匀电场为前提的，而在不均匀电场，在电场局部强电场处容易发生电离，并能观察到等离子体的局部发光现象。

这时，绝缘击穿后的电流很微弱，会有持续、不稳定的短脉冲电流流过。

这种放电现象被称为电晕放电。

2.3等离子体的参数
等离子体的参数是形容等离子体性质的主要标准，主要包括：
1)电子、离子温度:中性粒子温度最低，其次是离子温度，最后是电子温度最高，
位2eV；
2)电子、离子密度：等离子密度总是在10−3以下；
3)等离子体电位：等离子体电位都是负状态；
4)等离子体振动：外力与库仑力的共同作用，使得内部发生振动；
5)德拜屏蔽：每个带电粒子附近都存在电场，该电场被周围粒子的场“屏蔽”时，
在一定的空间外显电中性。

6)等离子体的条件：L>>λD>>n e−1/3(等离子体特征长度>>德拜长度>>粒子间平
均距离)，L>λD时，系统呈电中性；L<λD时，系统呈非电中性。

7)等离子体鞘层：把一团等离子体放在固体壁构成的容器中，就会看到等离子体
与固体处，形成一个暗区，带负电的薄层区，这一薄层称为等离子体鞘层[3]。

8)两极性扩散：电子和正离子由于浓度梯度向管壁扩散。

由于电子质量小速度快，
扩散的也快。

于是电子和正离子之间形成电场，产生负反馈作用，使电子速度变慢，离子速度变快。

最终两者以相同速度向管壁扩散，此即为两极性扩散。

2.4等离子体的产生与测量
等离子体是电子、原子与分子的集合，我们不能像采集大自然中的标本一样采集等离子体进行研究，因而为了在实验室环境下研究等离子体，人们研究了许多等离子体的生成方法，比如：直流放电、高频放电等。

2.4.1直流放电
直流放电的方法有很多，最常用的就是冷阴极法，及将两块板子平行放置，一端设为阴极K，一端设为阳极A，阴极K接地，阳极A接电源正级。

两端加高压，使得两个极板之间产生很高电压而释放电子。

而直热式热阴极法、旁热式热阴极法、空心形阴极法与冷阴极法原理是类似的，在这里就不做过多的解释。

实验室环境中的电子枪就是应用这一原理，首先将220V电压经过调压器，使得电压上升到一个较高的幅值，然后将电压经过整流、逆变变为单相电压，单相电压经过变压器上升为较高的电压，最后将电压通入放电发生器中，产生等离子体。

而辉光放电是低压气体放电现象的一种重要形式，辉光放电是一种复杂而稳定的自持放电过程[4]。

是目前应用比较广泛的产生等离子体的形式之一。

本文就是采用低气压下辉光放电去除细菌，高频放电主要有：静电耦合、感应耦合等。

而放
电的主要过程如图2-2所示:
图2-2 低气压直流放电的电压——电流特性图
2.4.2等离子体的测量
等离子体的测量方法主要包括：探针法、霍尔效应法、微波法、光谱法等。

齐总最常用的方法就是朗缪尔探针法，其主要操作是向等离子体重插入一根极小的电极，然后加上电压V B，测得流过探针的电流I，可得到额定电流-电压特性曲线，朗缪尔链接电路图如图2-3所示：
电
位
Vb
图2-3 探针法连接图
当探针的尺度远远大于德拜长度时，可以把上图中的容器壁视为探针电极，上述等离子体中只插入一根电极的探测方法称为单探针法，插入两根的称为双探针法，插入三根的称为三探针法。

此外，利用热电子发射的探针方法正处于研究与开发阶段。

3等离子体的应用技术
随着近代工业的发展，目前，困扰世界全球性大气污染的问题主要是温室效应与臭氧层破坏，这种污染所造成的伤害已经没有了国界的限制[5]。

在这样的背景下，等离子体去除污染技术得到了发展。

起初等离子体应用于发光、导电体或高能量密度的热源。

但是由于等离子体源放射很强的紫外线和X-射线，其能抑制水中微生物的复制，还能有效抑制水中其它细菌的产生[6]。

3.1电晕放电脱硫技术
电晕放电法是比较常用的脱硫方法，其主要原理是在烟气中加入少量氨气水蒸气或甲烷气再利用电子加速器或电晕放电产生的高能电子流直接照射待处理的气体通过高能电子与气体中的氧分子及水分子碰撞使之离解电离形成非平衡等离子体其中所产生的大量活性粒子与污染物进行反应使之氧化去除。

电晕放电等离子体脱硫的整个实验装置主要由：配气系统、电源控制系统、放电反应器、分析测试系统和尾气吸收排放系统四部分组成，如图3-1所示。

干空气、S02、NH3通过减压阀，由胶管进入转子流量计，按照一定的比例混合，然后通过反应器的进气口进入放电反应器进行放电，放电处理后的气体通过三通管，一部分通入烟气分析仪进行检测或进入手动采样器，尾气通入碱性溶液中，将尾气中残留的S02和NH3完全去处后排放至大气。

23
5 网电极
6 针电极
7 高压直流电源
8 烟气分析仪
图3-1 电晕放电脱硫结构图
经过这个脱硫实验的验证得出，电晕放电对脱硫的效率很高，适合在后续工程中应用与实践。

3.1.1电晕放电在净化粉尘与飘尘的应用
工业废气中粉尘和飘尘以气态和气溶胶态悬浮于空气中，造成严重的大气环境污染，其中粒径在0.1~5.0μm的颗粒对人体危害最大[7]。

应用非平衡等离子体技术可以对废气中颗粒物进行有效的清除处理，机理为：通过非均匀放电（电晕放电）产生的非平衡等离子体与废气中颗粒物相互碰撞并附着在这些粒子上，使之称为荷电粒子，而为集尘电极所捕集[8]，最终达到去除粉尘的目的。

3.1.2电晕放电等离子体在气体脱硫中的应用
在电晕放电等离子体脱硫研究中，电源和放电极的研究始终是世界各国科学家研究热点之一，电源是否合适，将直接影响脱硫反应能量利用率问题；放电极的放电性能好坏，直接影响到反应器的脱硫效率[9]。

文章通过对不同电源脱硫反应实验的脱硫效率的对比，得出了直流高压电源和脉冲高压电源的放电性能差异。

自行设计制造了四种不同形式的放电极，包括喷嘴放电极、星型线放电极、角钢芒刺放电极和锯齿放电极。

通过不同放电极脱硫反应实验脱硫反应实验脱硫效率的不同，研究四种不同形式放电极放电性能的差异。

实验的工艺流程如图3-1所示：
6 高压电源
7 电除尘器
8 二氧化硫分析仪
9 离心风机10 排空烟筒
图3-1 脱硫工艺流程图
实验过程中分别在喷嘴和锯齿两种电极上施加直流和脉冲电压，通过改变直流和脉冲电压的电压值得出不同条件下的脱硫效率。

实验条件如下：反应温度35℃，SO2：初始浓度550mg∕m3，氨气和二氧化硫摩尔比为1:1，水蒸气流量为0.8m3∕ℎ，烟气流速为0.2 m∕s，脉冲电源频率为100 Hz。

通过实验得出了以下结果：
(1)脉冲电源在高压电晕放电等离子体脱硫反应中的放电性能优于直流电源的放电
性能。

(2)通过脱硫效率的对比，得出了四种电极放电性能的差异，喷嘴电极放电性能最好，锯齿电极次之，角钢芒刺电极放电性能第三，星型线放电极放电性能最差。

放电性能主要取决于放电极的曲率半径[10]。

依据此实验结论，在实际的脱硫脱硝应用中，我们应该优先选择高压电晕放电脱硫，并且放电极的曲率半径越大越好。

北京交通大学结论4结论
电晕放电脱硫技术现在还处于起步阶段，电晕等离子体烟气脱硫的过程是很复杂的，所涉及的反应式有几百甚至上千之多，当前的许多研究都是不够深入的。

一方面是对电晕放电脱硫技术应用的不熟练，比如：计算脱除效率和能耗、最大限度地利用电晕放电的脱硫能力等方面还需要国内外学者的进一步研究；另一方面就是等离子体技术是新型技术，普及度还不是很广，许多等离子体的应用还有待开发与发展。

因此，应该大力发展等离子体技术，争取在更多方面将等离子体应用于实践中，而使得工程实践更多的应用等离子体技术，形成良性循环，大力广泛的应用等离子体技术。

北京交通大学参考文献
参考文献
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