文档介绍：大气压窄间隙DBD等离子体源与应用基础研究
作者姓名张芝涛
指导教师姓名鲜于泽教授
东北大学理学院
学科专业名称材料物理与化学
学位授予日期
答辩委员会主席
评阅人
东北大学
2003年1月
A Dissertation in Material Phvsics and Chemist
Study of the Narrow Discharge Gap DBD
Plasma Source at Atmospheric Pressure
and Its Basic Applications
by Zhang Zhitao
Supervisor: Professor Xianyu Ze
Northeastern University
January 2003
目口口
尸明
本人声明所呈交的博士学位论文是在导师鲜于泽教授悉心指导下
完成的,并受到国家自然科学基金的资助(项目编号:69871002)。
论文中所取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包括其他人
已经发表或撰写过的研究成果,也不包括本人获得其它学位而使用过
的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了
明确的说明并表示了谢意。
特此声明!
木人签名:
日期:
东北大学博士学位论文
摘要
大气压窄间隙DBD等离子体源与应用基础研究
摘
刁石
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一些研究者预言,在科学技术领域,紧跟着“纳米热”的将是“等离子体热”。
这里的等离子体主要指低温等离子体,而“热”就热在低温等离子体的工业应用
上。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)是一种能够在大气压条件
下获得非平衡等离子体的有效手段,能够在等离子体化学工程、材料表面改性、
纳米材料制取、环境保护等方面获得广泛应用,近年来己成为低温等离子体学科
的研究热点之一。
由于传统的DBD在气体电离方法方面存在许多问题,致使大气压条件下放电
空间内气体的电离度很低,无法满足非平衡等离子体化学工程的需要。为了提高
放电空间内气体的电离度,解决大气压条件下难以实现大空间强电离放电的难题,
本文结合国家自然科学基金资助项目“超强电场放电离解气体分子及应用研究”(项
目编号:69871002),针对影响DBD放电性能的关键因素,提出了利用窄间隙DBD
实现大气压条件下强电离放电的方法,并对其放电特性、所用电介质材料性能、
诊断方法及应用进行了研究。通过本文的研究,不但弄清了大气压窄间隙DBD等
离子体形成与演变机理,而且也解决了大气压窄间隙DBD等离子体源研制与应用
过程中存在的许多技术难题。
理论推导与实验结果表明,利用q-v图形法不仅可以测量DBD等离子体的放
电功率,而且可以诊断DBD等离子体的其它放电参量。经过改进的高压电桥法能
有效地排除放电间隙等效电容的影响,使它成为另一种能够准确、方便测量DBD
等离子体放电功率的方法。
采用窄间隙薄电介质层结构代替传统DBD的宽间隙结构;采用高频高压激励
电源代替传统的50Hz工频高压激励电源;采用含量高于95%的氧化铝瓷代替普通
的硼硅酸盐玻璃,大幅度地提高了放电间隙电场强度与电离区占空比,实现了大
气压条件下的强电离放电。其放电间隙等效折合电场强度达到了200 X 10-17V "cm2
以上,平均电子能量达到了10-16eV,电子密度达到了lox 1护3/m3以上,注入功
2,远高于传统的DBD装置。
对大气压窄间隙DBD等离子体一维形貌演变过程的研究结果显示,电介质层
是影响DBD等离子体形貌演变的关键因素。同时也证实在大气压条件下利用以氮
气或空气为电离介质的DBD观察到的所一谓“辉光放电”并不是真正的辉光放电,
而只是貌似辉光的准连续放电,是微放电集体效应的结果。
利用AFM, XPS, AES等方法对A120:电介质材料性能的研究结果表明,以
含量高于95%的氧化铝瓷替代普通的硼硅酸盐玻璃大大地提高了电介质层材料的
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东北大学博士学位论文摘要
介电性能与机械性能,有效地增加了放电电荷的传输量。老化实验还表明A1203
含量高于95%的氧化铝瓷能够经受等离子体的长期作用,可以保证气体电离放电
长期稳定地进行。
应用窄间隙薄电介质层结构与高频高压激励技术研制了大气压窄间隙DBD等
离子体源,并将其应用于高浓度臭氧与臭氧水发生、杀灭海洋有害微生物及非平
衡等离子体合成NH:等研究领域。其中,臭氧发生装置的最大臭氧质量浓度达到
了