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低溫等離子體及其應(yīng)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(fù)離子、自由基、電子、光子等 組成，整體表現(xiàn)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)等離子體也稱為熱等離子體，它的特點(diǎn)是內(nèi)部所有的粒子，都達(dá)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(dá)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?yàn)榈厍蛏蠜](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(dá)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(dá)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(nèi)獲得應(yīng)用。
低溫等離子體通常通過(guò)氣體放電的形式獲得。根據(jù)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(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)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(dāng)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(yàn)時(shí)若發(fā)現(xiàn)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(yàn)的重要工具，但因其受低氣壓的限制，工業(yè)應(yīng)用難于連續(xù)化生產(chǎn)且應(yīng)用成本高昂，而無(wú)法廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中。到2013年止的應(yīng)用范圍僅局限于實(shí)驗(yàn)室、燈光照明產(chǎn)品和半導(dǎo)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(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而出現(xiàn)電暈放電。發(fā)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對(duì)穩(wěn)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(nèi)工作，通常的工作氣壓為10～10。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體,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(dāng)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(yīng)用中，管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)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(yīng)用
低溫等離子體消毒技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(shì)，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(shì)，可以在多種物品、材料中應(yīng)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(shù)豪秒鐘時(shí)間，并不需要特意通風(fēng)，對(duì)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(yuǎn)高于離子溫度，離子溫度甚至可與室溫相當(dāng)。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大量的、種類繁多的活性粒子，比通常的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的活性粒子種類更多、活性更強(qiáng)，更易于和所接觸的材料表面發(fā)生反應(yīng)，因此它們被用來(lái)對(duì)材料表面進(jìn)行改性處理。
