气体放电电压值、频率值对生成的等 离子体有影响，而消毒效果又与等离子体 的基本特性参数有关。本文研究在低气压 环境下生成高频辉光放电等离子体，利用 探针法对等离子体的基本特性参数进行 测量，并对测量结果分析讨论，为以后研 制等离子体消毒灭菌装置打下基础。
２ 实验条件及方法
实验在金属腔体反应容器中，５０Ｐａ～ ２５０Ｐａ低气压［４］下，以空气为反应气体， 采用平行极板电极，利用频率为数十千赫 的可调高频脉冲电源，生成了辉光放电等 离子体。
［２］ ＭａｓａｋａｚｕＴａｎｉｎｏ，ＷａｎｇＸｉｌｕ，ｅｔ ａｌ． Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅａｔ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＩＥＥＥＣＮＦ Ｖｏｌｕｍｅ ２，２－６ Ｏｃｔ． ２００５ Ｐａｇｅ（ｓ）：７８４ ７８８．
Te
=
Ii0 dI
dV V =0
（１）
４ 测量结果分析讨论
电源频率为 ３２ＫＨｚ时，图 ５（ａ）（ｂ）（ｃ） 所示分别是 ５０Ｐａ、１００Ｐａ、２００Ｐａ气压时 探针电流－电压特性曲线。
图 ２（ａ）１８０Ｐａ时两极板之间辉光较 亮，而两级周围变暗，辉光主要集中在两 级中间。
图 ２（ａ）３００Ｐａ以上辉光放电明显收 缩与两极板之间，电极辉光减弱。 ３ 测量方法 双探针法
０．０４
０．０２
－５０
－４０
－３０
－２０
０ －１－００．０２ ０
－０．０４
－０．０６
－０．０８
－０．１
１０ ２０ ３０ ４０ ５０
图 ５（ｂ）１００Ｐａ
０．４
０．３
０．２
０．１
０
－８０
－６０
－４０
－２０ －０．１０
－０．２
－０．３
－０．４
－０．５
２０
４０
６０
图 ７（ｂ） ５０Ｐａ
０．０２
０．０１５
０．０１
低气压高频辉光放电等离子体的特性
李沛 刘文正 李成柳 崔杰 （北京交通大学 电气工程学院，北京 １０００４４）
摘要 生成了低气压高频辉光放电等离子体，利用探针法测量了等离子体的电子温度， 分析了压强、频率对等离子体电子温度的影响。
关键字 低气压，等离子体，辉光放电，双探针法
１ 引言
等离子体灭菌是一种新型的灭菌手 段。与传统灭菌方法相比具有许多优越性 －等离子体消毒过程中的气体温度不高， 这使得它能够被用于不耐高温产品的消 毒 ， 具 有 良 好 的 应 用 价 值 。 ２００２ 年 ， Ｉ．Ａ．Ｓｏｌｏｓｈｅｎｋｏ等人，在约 ３０Ｐａ低气压 下生成了辉光放电等离子体，对枯草杆菌 杀灭率可高达 ９９．９％［１］。等离子体对大肠 杆菌、金黄葡萄球菌等多种病菌也有基本 相同的消毒效果［２］，［３］。
０．００５
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０ ０
－０．００５
１０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．０１
－０．０１５
－０．０２
图 ５（ｃ）２００Ｐａ
可见，以上曲线基本与典型的双探针 特性曲线相一致。
０．８ ０．６ ０．４ ０．２
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
［４］ 菅井秀郎．张海波，张丹译．等离 子体电子工程学．科学出版社 ＯＨＭ社，２００２．
［５］ ［美］迈克尔 Ａ．力伯曼，阿伦 Ｊ． 里登伯格．蒲以康等译．等离子体 放电原理与材料处理．科学出版 社，２００７．
同样由图 ６可知，５０Ｐａ时等离子体 的饱和电流明显较大，其它的相差不太 大，并且他们的饱和电流值较小。同时 由图 ６和图 ８对比频率可知，在同一气 压下，３２ＫＨｚ时的电子饱和电流比 ５０ＫＨｚ 时大。 根据式（１）计算出以上各种情况 时等离子体的电子温度见表 １。
电等离子体的一些特性。 （１）气压越高并不一定等离子体的
［３］ Ｋｉｍｂｅｒｌｙ Ｋｅｌｌｙ－Ｗｉｎｔｅｎｂｅｒｇ， ＤａｎｉｅｌＭ．Ｓｈｅｒｍａｎ，ｅｔａｌ．Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｏｎｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｌａｓｍａ （ｔｈｅ Ｖｏｌ ｆｉｌｔｅｒ）．ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ ＰＬＡＳＭＡＳＣＩＥＮＣＥ，ＶＯＬ．２８，ＮＯ．１， ＦＥＢＲＵＡＲＹ２０００．
电子温度可由式（１）得出［４］
图 ３ 双探针的原理图
,
,L , L,
, ,L
9
,L
图 ４ 典型的电流－电压特性曲线
０．８ ０．６ ０．４ ０．２
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０－０．２０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．４ －０．６ －０．８
图 ５（ａ） ５０Ｐａ
０．１
０．０８
０．０６
０．０６ ０．０５ ０．０４ ０．０３ ０．０２ ０．０１
０ －５０ －４０ ຫໍສະໝຸດ ３０ －２０ －１０－０．０１０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．０２ －０．０３ －０．０４ －０．０５
图 ７（ｂ） １００Ｐａ
０．０２ ０．０１５ ０．０１ ０．００５
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１－００．００５０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
实验装置图如图 １所示。主要由气体 放电室、脉冲电源和测量设备三部分组 成。图 ２（ａ）（ｂ）（ｃ）是不同气压下辉光
放电的形态。
阻抗匹配
A
D
放电室
B
C
电源
Ａ送气系统 Ｂ抽真空系统 Ｃ压力计 Ｄ测量系统
图 １ 实验装置图
图 ２（ａ） ５０Ｐａ时平行电极之间有明 亮的辉光产生，电极周围比较亮，等离子 体扩散性好一些。
探针法是向等离子体中插入一根极
小的电极（探针），然后加上电压VB ，测
定流过探针的电流 Ｉ，可得到探针的电压－ 电流特性曲线。从测量数据可以求得等离
子体的密度 n0 、电子温度Te 、等离子体空
间电位VP 和悬浮电位VF 。 ［４］
双探针通常用在没有合适的接地电 极的等离子体中。图 ３示出了双探针的原 理图，图 ４示出了一个典型的双探针特性 曲线。此探针系统的优点是其净电流值绝 不会超过离子饱和电流，所以能能最大程 度地减低对放电的干扰［４］。
－０．０１ －０．０１５ －０．０２
图 ７（ｃ） ２００Ｐａ 可见，以上曲线基本与典型的双探针 特性曲线相一致。
０．４ ０．３ ０．２ ０．１
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０－０．１０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．２ －０．３ －０．４
图 ８同一坐标下不同气压下探针的电流－
电压特性曲线
－０．２ －０．４ －０．６ －０．８
图 ６ 同一坐标下不同气压下探针的电 流－电压特性曲线
由图 ６可知，５０Ｐａ时等离子体的饱和 电流明显较大，其它的相差不太大，并且 他们的饱和电流值较小。
电源频率为 ５０ＫＨｚ时，图 ７（ａ）（ｂ）（ｃ） 所示分别是 ５０Ｐａ、１００Ｐａ、２００Ｐａ气压时 探针的电流－电压特性曲线。
５ 总结
通过对低气压辉光放电等离子体的 测量、分析，我们得到了低气压辉光放
［１］ Ｉ．Ａ．Ｓｏｌｏｓｈｅｎｋｏ，Ｖ．Ｖ．Ｔｓｉｏｌｋｏ， ｅｔ ａｌ． Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ＵｓｉｎｇＬｏｗ－ＰｒｅｓｓｕｒｅＤＣ－Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ－Ｐｅｒｏｘｉｄｅ Ｐｌａｓｍａ． ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＰＬＡＳＭＡ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＶＯＬ．３０，ＮＯ．４，ＡＵＧＵＳＴ ２００２
电子温度越大、消毒效果越好； （２）频率变化的高频放电对低气压
辉光放电等离子体的电子温度的影响并 不太明显。
今后我们还要有许多的研究工作要 做：如选用氦气作为反应气体与空气作 对比，对生成的等离子体的特性参数对 比与讨论，并进行消毒效果实验。
气压 ５０
频率
Ｐａ
３２ＫＨｚ 6.12
１００ １５０ １８０ ２００ ２５０ Ｐａ Ｐａ Ｐａ Ｐａ Ｐａ 6.11 5.06 4.79 4.85 5.50
参考文献：
５０ＫＨｚ 3.42 4.02 3.71 3.80 4.08 4.28
表 １不同条件的等离子体电子温度
由以上数据可做出等离子体的电子 温度－气压曲线图，如图 ９所示。
７ H9
６
５
４
３
２
１
０
０
５０
. +]
. +]
１００
１５０
２００
SD
２５０
３００
图 ９不同频率下的电子温度－气压曲线
可见，同一频率时在气压较低时电 子温度相对较大，而气压升到 １８０Ｐａ左 右时电子温度下降了，但气压升到 ２５０Ｐａ 时电子温度又升高了。这种情况可能是 由于在 １８０Ｐａ时放电区域向极板收缩， 由于探针放在极板中间，以至吸收电子 量减少；而 ２５０Ｐａ时由于气压升高使反 应气体密度增大，从而使电子密度增大 的而引起的。