双探针 螺母，旋开后 可调节极距
等离子体辉光放电的唯相结构
d= 155mm,P=40Pa
实验中观察到的各
区分布图 阳极 辉区
正柱 区
法拉第 暗区
阴极 辉区
阿斯顿
阳极暗区和负极辉光区在实验中并没有
暗区
观测到; 电压增大，正柱区长度减小
正柱区一端是半球体，可能是未电离的氩气流动对辉
光放电的影响
一些情况下的辉光图片
8.3 电晕和辉光放电等离子体技术在
化工中的应用 ——甲烷和二氧化碳制
合成气、甲烷偶联制碳二烃
? 8.3.1 利用电晕放电冷等离子体技术，甲烷和二氧 化碳制合成气
（1）CH 4-CO 2反应体系的热力学分析 CH 4+CO 2——2CO+2H 2 CO 2+H 2——CO+H 2O 2CH 4——C2H2+3H 2 C2H2——2C+H 2 CH 4+4H 2——CH 4+2H2O 2CO ——C+CO 2 CH 4——2C+2H 2
8 电晕和辉光放电等 离子体技术与应用
8.1 电晕和辉光放电等离子体机理分
? 8.1.1 电晕放电
进气口
针电极
析
? 电晕放电常采用非对称 电极（如针 -板电极、 针-针电极等），在电
极曲率半径小的地方电
等离子体区 催化剂 平板电极
场强度特别高，容易形 成电子发射和气体电离， 可在常压条件下形成电 晕。
出气口
暗放电
辉光放电
汤森区
VB
电晕
击穿电压
弧光放电
Ｖ /H辉光到弧光压的跃变电
I V<1/I
饱和区
10-10
本底电离
10-8
10-6
G
正常 辉光
异常 辉光
10-4 10-2 电流I/A
Themal J 1 100
K 1000
气体放电伏安特性曲线
? 正电晕
?? 根据放电产生电晕的
直流电晕
? ?
?? 负电晕
导致的自由电子发射
? 8.1.2 辉光放电
暗放电
汤森区
VB
电晕
辉光放电 击穿电压
弧光放电
Ｖ /
H
辉光到弧光的跃变
压 电
I V<1/I
饱和区
10-10
G
本底电离
正常 辉光
异常 Themal J 辉光
10-8
10-6
10-4 10-2
1
100
电流I/A 气体放电伏安特性曲线
K 1000
DH2005 型直流辉光放电等离子体装置： 阳极放电管阴极
? （2）能量密度对反应的影响
? A随反应体系能量密度的增强， CH 4和CO 2的转化增 大，但在高能量密度处增加速度放缓
? B电晕放电类型不同反应的转化率不同。正电晕的 始终高于负电晕，反应物转化在能量密度较低时， 正电晕>交流电晕 >负电晕，能量密度较高时，正电 晕>负电晕 >交流电晕。
? C能量密度低时 CH 4转化率高于 CO 2转化率，由于 CO 2 过量导致 CH 4的转化率较高，这一特点与平衡 热力学分析结果一致，但能量密度增加到一定程度 后， CO 2转化率将高于 CH 4转化率。
-
XS
（2）鞘层厚度
Xs ? ( nee2
?
nie2
?1
)2
?0kTe ?0kTi
在冷等离子体中， Te》Ti，因此鞘层的有效厚度为
Xs
?
(
?0kTi
ni e 2
1
)2
表明固体鞘层厚度随离子温度上升而增加，随等离子体内 离子密度增加而减小。
（3）固体表面电位
V0
?
1 2
kTe e
ln( miTe ) meTi
对于外加磁场等离子体辉光现象的 描述
不加磁场前
正柱区有周期性 明暗变化
8.2 等离子体鞘层效应
? 8.2.1 等离子体鞘层效应
（1）鞘层模型
当等离子体空间遇到固体（电极、反应器壁、催 化剂等）时，会在固体表面产生电荷积累，形成 等 离子体鞘层。
当等离子体电位高于固体电位时，在固体电位 附近吸引正离子形成了离子包围的电荷层，称为 离 子鞘； 反之，等离子体电位低于固体电位时，在固 体电位附近吸引电子排斥离子，形成电子包围的电 荷层，称为 电子鞘。
? 电源来源和频率可分为 交流电晕
? ?
高频电晕
? 爆发式脉冲电晕 ? 电晕放电类型 流注电晕
? 辉光电晕 ??特里切尔电晕
? 正负电晕的形成机理 ? 负电晕的形成机理 ——场生雪崩放电理论：
针状阴极电晕发光区内存在较强烈的电离与激发， 电流密度大，在负电晕的外围只存在单一的带负电 的粒子。
? 正电晕的形成机理 ——流光理论：
上式表明，固体表面为负电位，电位绝对值 随电子温度增加而上升，随离子温度增加而 下降。在冷等离子体中，电子温度与离子温 度的非平衡性，使得固体表面具有较大的负 电位。
（4）鞘层效应对催化剂功能的影响
? 电晕等离子体中的催化剂表面将形成鞘层， 具有负电位，假如在甲烷冷等离子体中，平 均电子温度为6.0eV，平均离子温度为1/30eV 时，催化剂表面的电位约为33eV。该电位会 影响催化剂表面的特征（如金属催化剂表面 电子功函数），导致催化性能改变。
? C混合气体的击穿电压与原料中 CH 4/CO 2比值有关，除 纯气体放电外，一般比值小的混合气击穿电压较高，比 值一定时，负电晕比正电晕较易发生击穿。
? D反应体系温度升高，击穿电压稍有降低但变化不明显。 击穿电压主要与放电气体的介质性质、等离子体的电场 条件，如放电电压、放电类型和电极形状有关。
? （2）甲烷和二氧化碳制合成气实验
皂沫
流量
1
计 反
1应
气相色谱仪
器冷
四级质谱仪
CH 4
阱
热电偶 CO 2
多功能等离 子体发生器
1-质量流量计及控制仪
（3）电晕放电结果分析
? （1）电晕放电反应的伏安特性
? A电晕放电电流大小由放电电压决定，其值随放电电压 的增加而上升
? B电晕放电类型不同，击穿电压不同。正电晕的击穿电 压最大，负电晕次之，交流电晕的击穿电压值最小。
一旦产生正电晕放电，电晕层内强电场中激发粒 子的光辐射产生电子即光致电离，所形成的电子在 电晕层中引起雪崩放电，产生大量激发和电离，最 后电子被阳极收集，正离子经过电晕层，进入电晕 外围向阴极迁移。
根据能量提供方式，金属中电子发射可分为以下 几种情况 ：
高温导致的热电子发射； 强电场导致的场致发射 ； 光照导致的光致发射； 电子撞击产生的次级电子发射； 金属表面力学作用（摩擦、形变等）或化学反应
通常，等离子体鞘层与等离子体之间有一段准 中性等离子体过渡区。
? 表征固体表面等离子
体鞘层特征的重要参
-
固体-
等离子体鞘层
Ni(X)>ne(X) V(x)<0
等离子体 n i≈n e V(x)≈0
V0
数包括：
鞘层的厚度 XS、 固体表面电位 V0、 鞘层电子密度 ne、
- V0 -
离子密度 ni、 电位梯度 V(x)等