介质阻挡放电及其应用

介质阻挡放电及其应用

王新新

(清华大学电机系,北京100084)

摘　要:为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。

首先提出了只有拍摄曝光时间为10ns 左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用—大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。

关键词:介质阻挡放电;大气压辉光放电;汤森放电;辉光放电;气体放电;等离子体表面处理中图分类号:TM213;TM89文献标志码:A 文章编号:100326520(2009)0120001211

基金资助项目:国家自然科学基金重点项目(50537020);博士点专项基金项目(20040003011)。

Project Supported by National Natural Science Foundation (50537020),Special Research Fund for t he Doctoral Program of Higher Education (20040003011).

Dielectric B arrier Discharge and Its Applications

WAN G Xin 2xin

(Depart ment of Elect rical Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )

Abstract :In order to comprehensively understand DBD ,we reviewed the investigations of dielectric barrier discharge (DBD )by focusing on the physics related to the uniform discharge at atmospheric pressure.It is suggested that the best way to distinguish a uniform discharge f rom a filamentary one is to take a picture with an exposure time of about 10ns.Even for a real uniform discharge ,it is important to f urther distinguish a glow discharge f rom a Townsend discharge.The only way to get a uniform discharge at atmospheric pressure is to make the discharge at a lower elec 2tric field by increasing the seed electrons initiating the discharge.Recently ,the uniform discharges at atmospheric pressure have been obtained in helium and nitrogen ,i.e.,subnormal glow discharge in helium and Townsend dis 2charge in nitrogen.Moreover ,we briefly introduced three industrial applications of DBD plasmas ,including the ad 2vanced ozone generator ,continuous double 2sided treatment of foil surface ,plasma display panel.

K ey w ords :dielectric barrier discharge ;atmospheric pressure glow discharge ;Townsend discharge ;glow discharge ;gas discharge ;plasma surface modification

0　引言

近20年来,气体放电产生的低温等离子体得到越来越广泛的应用,等离子体处理技术应运而生。而介质阻挡放电(Dielect ric Barrier Discharge :DBD )可以在大气压下产生低温等离子体,特别适合于低温等离子体的工业化应用[1]。虽然人们对DBD 的研究已经有100多年的历史,仍然有一些问

题没有解决。因此,DBD 至今还是气体放电领域的

研究热点。目前,DBD 的研究可分为放电物理研究和应用技术研究两个方面。前者主要集中在放电属性的界定(细丝放电、均匀放电、汤森放电、辉光放电);大气压下均匀放电产生的条件和物理机制等。

后者主要集中在如何提高等离子体处理效率,减小能耗等。本文将根据本人和他人的研究成果,对DBD 及其应用进行综述,重点集中在放电物理方面

的最新研究成果。本文结构安排如下:首先简要回顾DBD 研究的历史,接着介绍DBD 细丝放电模式的产生机制和主要物理参数,然后重点论述DBD 均匀放电模式的关键问题,包括均匀放电的判定方法、均匀放电的分类、均匀放电产生的物理机制和条件、大气压氦气辉光放电和氮气汤森放电的认定。最后对DBD 等离子体的3种工业化应用作简要介绍。

1　介质阻挡放电研究简史

所谓介质阻挡放电(Dielect ric Barrier Dis 2charge :DBD )如图1所示,它是在两个金属电极之

间的气隙中插入至少一块绝缘介质,以阻挡贯穿气隙的放电通道,故称之为介质阻挡放电,或简称DBD 。DBD 通常采用两种电极结构,平行平板电极

结构和同轴圆筒电极结构。

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1・ 第35卷第1期

2009年 1月

高　电　压　技　术

High Voltage Engineering

Vol.35No.1

Jan.　2009