介质阻挡等离子清洗机放电的原理是什么？
文章导读：介质阻挡放电（DBD）等离子清洗机的电极无论是平板式，还是圆柱形，亦或是沿面放电型，放电初期都是由无数微小的放电丝组成，所以我们可以通过分析丝状放电的过程来了解介质阻挡放电（DBD）的规律。
一、DBD等离子体的放电原理
当介质阻挡放电（DBD）电极的两端施加高压，阴极附近的气体会在电场作用下电离并产生电子。在气体被完全击穿之前，这些电子在电场中加速，当能量达到或超过气体的电离能时，在每次电离碰撞中电子就会成倍的增加形成电子雪崩。单根细丝放电的演化过程如图1所示:
在1个标准大气压条件下，由于粒子间的碰撞频率较高，一个正在变大的电子雪崩在很短的距离就可产生相当规模的电荷密度。电子和离子飘移速度不同造成电荷分离，从而使局部电场在原电场基础上得到叠加，场强变大。在流柱头部的高场强区，碰撞电离导致电离区域的快速增长，从而形成明亮的等离子体通道。但是在介质阻挡放电过程中，由于介质层的存在限制了电流的自由增长，因此也阻止了金属电极间火花或弧光放电的产生。
二、介质阻挡尖端放电
单个丝状放电是在放电气体间隙的某个位置发生，与此同时在其他位置也会发生丝状放电。正是介质的绝缘性质，使这种丝状放电能独立发生在许多放电空间中。当丝状放电的两端电压低于击穿电压时，电流就会截止。在同一位置上只有再次达到击穿电压时，才能发生再击穿和在原地方发生第二次丝状放电。每个微丝状放电的直径只有几十个到几百个纳米，同时这些细丝的根部与介质层连在一起并在其表面产生凹凸点。由于介质层表面凹凸点的存在，增加了该处的局部电场强度而使放电更加容易发生，这就是通常所说的介质阻挡尖端放电。
三、流光放电
一个微放电过程实际就是一个流光放电发生与消失的过程。所谓流光放电就是特指放电空间某一局部区域被高度电离并迅速传播的一种放电现象。在DBD中它通常分为放电击穿、流光发展及放电消失三个阶段。图2、图3清晰地展现一个流光放电的演变过程。
在流注贯穿整个间隙之后，电荷在介质表面上的沉积就变成一个很重要的特征。不同于自由流柱演化，介质阻挡放电有一特殊的边界条件，故存在处理丝状放电的不同相关模型。在这些模型中，都考虑了一种反馈机制，即认为碰撞离子和光子产生的次级电子进入到放电通道中。在流注贯穿气体间隙时，在纳秒级时间内就会形成高场强的阴极位降区和高离子密度区。在大气压下，这样的高场强区的厚度约为10微米。丝状放电的一些重要特性是通过图灵斑测量，图像转换器记录，电流测量及电荷测量等手段来获得。
了解介质阻挡丝状放电的原理和过程，主要目的是在研制大气等离子清洗机时应充分考虑丝状放电的现象，利用其特点来进行材料表面改性，避免放电不均匀容易击穿的弊端。图4所示，DBD介质阻挡延边放电:
当介质阻挡放电（DBD）电极的两端施加高压，阴极附近的气体会在电场作用下电离并产生电子。在气体被完全击穿之前，这些电子在电场中加速，当能量达到或超过气体的电离能时，在每次电离碰撞中电子就会成倍的增加形成电子雪崩。单根细丝放电的演化过程如图1所示:
图1 DBD丝状放电的过程的模型
工作时，电子相对于离子具有较强的可流动性，使其在可测量的纳秒级范围内穿过气体间隙。当电子雪崩在气体间隙形成并产生定向移动时，离子由于运动速度慢而被滞留在后面逐渐在放电空间形成积累。空间电荷的产生最终使的放电空间的电场产生畸变，从而使电极间空气间隙的电场强度等于或超过周围气体的击穿场强，使得在较短的时间内气体电离急剧增加，最终导致单个丝状放电的发生。在1个标准大气压条件下，由于粒子间的碰撞频率较高，一个正在变大的电子雪崩在很短的距离就可产生相当规模的电荷密度。电子和离子飘移速度不同造成电荷分离，从而使局部电场在原电场基础上得到叠加，场强变大。在流柱头部的高场强区，碰撞电离导致电离区域的快速增长，从而形成明亮的等离子体通道。但是在介质阻挡放电过程中，由于介质层的存在限制了电流的自由增长，因此也阻止了金属电极间火花或弧光放电的产生。
二、介质阻挡尖端放电
单个丝状放电是在放电气体间隙的某个位置发生，与此同时在其他位置也会发生丝状放电。正是介质的绝缘性质，使这种丝状放电能独立发生在许多放电空间中。当丝状放电的两端电压低于击穿电压时，电流就会截止。在同一位置上只有再次达到击穿电压时，才能发生再击穿和在原地方发生第二次丝状放电。每个微丝状放电的直径只有几十个到几百个纳米，同时这些细丝的根部与介质层连在一起并在其表面产生凹凸点。由于介质层表面凹凸点的存在，增加了该处的局部电场强度而使放电更加容易发生，这就是通常所说的介质阻挡尖端放电。
三、流光放电
一个微放电过程实际就是一个流光放电发生与消失的过程。所谓流光放电就是特指放电空间某一局部区域被高度电离并迅速传播的一种放电现象。在DBD中它通常分为放电击穿、流光发展及放电消失三个阶段。图2、图3清晰地展现一个流光放电的演变过程。
图2 单丝微放电的演变过程
图3 单丝微放电的演变过程
在DBD中，电荷在介质表面的移动性很低，容易引起电荷在电介质表面的聚集，从而束缚了微放电自身的发展，同时也限制了电荷在介质层表面横向区域内的传输。在较低激励电压条件下，平行的微放电可在整个放电空间内发生。然而随看激励电压的提高，相邻微放电之间会发生相互影响。一方面，激励电压的升高将使非弹性碰撞引起的电离作用增强，并使带电粒子向周围扩散，从而引起相邻区域内气体电离; 另一方面，处于激发或电离态的某些原子或分子在由高能级向低能级跃迁过程中会辐射出紫外光引起放电空间其他区域发生光致电离。在这两方面的作用下，随着激励电压的提高，大量的带电粒子会相互扩散直至最后形成宏观均匀的准连续放电。在流注贯穿整个间隙之后，电荷在介质表面上的沉积就变成一个很重要的特征。不同于自由流柱演化，介质阻挡放电有一特殊的边界条件，故存在处理丝状放电的不同相关模型。在这些模型中，都考虑了一种反馈机制，即认为碰撞离子和光子产生的次级电子进入到放电通道中。在流注贯穿气体间隙时，在纳秒级时间内就会形成高场强的阴极位降区和高离子密度区。在大气压下，这样的高场强区的厚度约为10微米。丝状放电的一些重要特性是通过图灵斑测量，图像转换器记录，电流测量及电荷测量等手段来获得。
了解介质阻挡丝状放电的原理和过程，主要目的是在研制大气等离子清洗机时应充分考虑丝状放电的现象，利用其特点来进行材料表面改性，避免放电不均匀容易击穿的弊端。图4所示，DBD介质阻挡延边放电:
图4 DBD介质阻挡延边放电状态
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