介质阻挡放电及其应用王新新(清华大学电机系,北京100084)摘　要:为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。首先提出了只有拍摄曝光时间为10ns左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用—大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。关键词:介质阻挡放电;大气压辉光放电;汤森放电;辉光放电;气体放电;等离子体表面处理中图分类号:TM213;TM89文献标志码:A文章编号:100326520(2009)0120001211

基金资助项目:国家自然科学基金重点项目(50537020);博士点专项基金项目(20040003011)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundation(50537020),SpecialResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducation(20040003011).DielectricBarrierDischargeandItsApplicationsWANGXin2xin(DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:InordertocomprehensivelyunderstandDBD,wereviewedtheinvestigationsofdielectricbarrierdischarge(DBD)byfocusingonthephysicsrelatedtotheuniformdischargeatatmosphericpressure.Itissuggestedthatthebestwaytodistinguishauniformdischargefromafilamentaryoneistotakeapicturewithanexposuretimeofabout10ns.Evenforarealuniformdischarge,itisimportanttofurtherdistinguishaglowdischargefromaTownsenddischarge.Theonlywaytogetauniformdischargeatatmosphericpressureistomakethedischargeatalowerelec2tricfieldbyincreasingtheseedelectronsinitiatingthedischarge.Recently,theuniformdischargesatatmosphericpressurehavebeenobtainedinheliumandnitrogen,i.e.,subnormalglowdischargeinheliumandTownsenddis2chargeinnitrogen.Moreover,webrieflyintroducedthreeindustrialapplicationsofDBDplasmas,includingthead2vancedozonegenerator,continuousdouble2sidedtreatmentoffoilsurface,plasmadisplaypanel.Keywords:dielectricbarrierdischarge;atmosphericpressureglowdischarge;Townsenddischarge;glowdischarge;gasdischarge;plasmasurfacemodification0　引言近20年来,气体放电产生的低温等离子体得到越来越广泛的应用,等离子体处理技术应运而生。而介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarge:DBD)可以在大气压下产生低温等离子体,特别适合于低温等离子体的工业化应用[1]。虽然人们对DBD的研究已经有100多年的历史,仍然有一些问题没有解决。因此,DBD至今还是气体放电领域的研究热点。目前,DBD的研究可分为放电物理研究和应用技术研究两个方面。前者主要集中在放电属性的界定(细丝放电、均匀放电、汤森放电、辉光放电);大气压下均匀放电产生的条件和物理机制等。后者主要集中在如何提高等离子体处理效率,减小能耗等。本文将根据本人和他人的研究成果,对DBD及其应用进行综述,重点集中在放电物理方面的最新研究成果。本文结构安排如下:首先简要回顾DBD研究的历史,接着介绍DBD细丝放电模式的产生机制和主要物理参数,然后重点论述DBD均匀放电模式的关键问题,包括均匀放电的判定方法、均匀放电的分类、均匀放电产生的物理机制和条件、大气压氦气辉光放电和氮气汤森放电的认定。最后对DBD等离子体的3种工业化应用作简要介绍。1　介质阻挡放电研究简史所谓介质阻挡放电(DielectricBarrierDis2charge:DBD)如图1所示,它是在两个金属电极之间的气隙中插入至少一块绝缘介质,以阻挡贯穿气隙的放电通道,故称之为介质阻挡放电,或简称DBD。DBD通常采用两种电极结构,平行平板电极结构和同轴圆筒电极结构。・1・ 第35卷第1期2009年 1月高　电　压　技　术HighVoltageEngineeringVol.35No.1Jan.　2009DBD的研究已有很长的历史[2]:1857年,Sie2mens利用同轴圆筒电极结构的DBD产生臭氧;1860年,Andrews将此放电命名为无声放电(silentdischarge)。从1860年到1900年的40年间,对DBD的研究基本停留在利用其产生臭氧和氮氧化物(NOx)。20世纪初,Warburg开始了对DBD本身放电特性的研究。1932年,Buss利用平行平板电极结构研究了大气压空气DBD放电特性,同时拍摄了长曝光时间的放电图像,即所谓的Lichtenburg图,并用示波器记录了放电电流波形。结果表明:放电是由大量发光细丝(即流注)组成,与此相对应,电流波形是由大量的窄脉冲组成。1943年,Manley在DBD电流回路中串联一个电容器以收集放电电荷Q,将对应于Q的电压信号送到示波器的x输入;同时将外加电压U送到示波器y输入。在每一个外加电压周期T,示波器上得到一个封闭的四边形图形,即Lissajous图形。Manley提出可以利用Lissajous图形所包围的面积S计算放电能量W或功率P,即W=∫T0Uidt=∫T0UdQ=S;(1)P=fW=fS。(2)上式中f是外加电压的频率,Hz。1970年以后,人们开始对DBD进行物理诊断和数值模拟,以研究DBD等离子体中发生的物理和化学过程。直至20世纪80年代末,DBD的主要工业应用仍然是产生臭氧。1987年,日本的Kanazawa利用含氦气的混合气体进行大气压下DBD实验,并用肉眼观察到了均匀放电现象[3]。从此以后,人们认识到:除了细丝放电模式外,大气压下DBD还存在均匀放电模式,并且将此均匀放电统称为大气压下辉光放电(Atmos2phericPressureGlowDischarge:APGD)。目前,DBD的主要应用包括:杀菌消毒、等离子体表面处理、废气处理、紫外准分子灯和无汞荧光灯、等离子体显示屏等。2　细丝模式的介质阻挡放电虽然大气压下DBD存在两种放电模式,即细丝模式和均匀模式,但最常见的还是细丝模式,这是由大气压下气体放电特性所决定的。根据气体放电理论[4],气体中电子的平均自由行程λe反比于气压p,大气压下λe非常短。因此,电子在距离为d的气隙中从阴极漂移到阳极所经历的碰撞次数N=d/λe∝pd非常多,电子雪崩将强烈发展而转变为流注(即细丝)

。图1　介质阻挡放电的电极结构Fig.1　Configurationofdielectricbarrierelectrodes

图2　DBD抑制电弧的原理图Fig.2　Equivalentcircuitdemonstratingthedielectricsactingasquenchersofgasdischarge若放电发生在两个金属裸电极之间的大气压气隙中,人们通常观察到单根明亮的电弧,其原因是:若气隙中某个放电细丝剧烈发展而成为电弧,电弧通道的电导率很大,维持电弧所需的电压非常低。这相当于用一根导体将两个裸电极短接起来,气隙上的电压降将不足以维持流注放电。因此,除该电弧之外,其余放电细丝都将熄灭。为了避免大气压气体放电形成电弧,人们在气隙中引入绝缘介质,构成介质阻挡放电。DBD抑制电弧的原理可以用图2来说明:气隙击穿前,DBD相当于阻挡介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg串联;气隙击穿后,图中开关闭合,Cg并联上1个随时间变化的等离子体电阻R(t)。显然,气隙上电压Ug可以用下式表示:Ug=Ua-Ud=Ua-1Cd∫idt。(3)式中,Ua和Ud分别是外加电压和阻挡介质上电压。当气隙击穿后,电流i迅速增大,阻挡介质上堆积的电荷及产生的Ud随之迅速增大,导致Ug急剧下降,放电熄灭,这也就阻碍了电弧的形成。当放电气隙中引入绝缘介质后,人们通常观察・2・Jan.2009High　Voltage　EngineeringVol.35No.1　

图3　大气压空气DBD的细丝放电图像Fig.3

　End2viewoffilamentarydischargeinanairgapbetweentwodielectricbarrierelectrodes到了大量稍现即逝、此起彼伏、随机分布的放电细丝。图3是从透明电极底部拍摄的大气压空气DBD的细丝放电图像,曝光时间为20ms。导致这种细丝模式的原因是:阻挡介质的绝缘特性使得DBD实际上应该等效成如图4所示的电路,它由大量的局部微电路并联而成。各微电路所对应的气隙可以独立地放电并迅速熄灭,形成大量的时空随机分布的放电细丝。只有当整个气隙同步均匀放电时,即各微电路中的开关同时闭合,并且R(t)相同时,DBD才能采用图2所示的等效电路。图5给出了典型的DBD实验布置。用电容分压器测量外加电压;在电流回路中串联50Ω的电阻以间接测量放电电流;用ICCD高速相机拍摄放电图像。图5(a)和图5(b)中的相机分别位于侧面拍摄和底面拍摄的位置,图5(b)下电极为氧化铟锡(ITO)薄膜构成的透明电极。DBD的实验参数为:大气压气体,气隙为011mm到几cm。典型的阻挡介质材料有耐热玻璃(pyrex)、石英、陶瓷、有机薄膜、硅橡胶,甚至还有电阻性阻挡介质[4]。阻挡介质厚度为几μm至几mm。根据公式(3),我们知道:阻挡介质可以被看成放电的“熄灭器”,即放电电流给阻挡介质充电,使气隙上电压迅速下降,导致放电熄灭。显然,若施加直流恒定电压,气隙中放电一次并熄灭后,因堆积在阻挡介质上的电荷没有消失,下一次放电难以发生。因此,DBD的外加电压通常为交变电压,其频率为50Hz～10MHz。图6是大气压氮气1mm间隙DBD细丝放电的电压和电流波形,众多的电流窄脉冲对应于放电图像中大量的放电细丝。若将电流脉冲展开,可以看到电流脉冲的半高宽为20～30ns,这也就是每根放电细丝的寿命。放电细丝寿命如此之短的原因是:每根细丝对应于图4中的1个局部微电路,

由于图4　DBD的等效电路Fig.4　Equivalentcircuitofdielectricbarrierdischarge

图5　DBD的实验布置Fig.5　ExperimentalsetupofDBD

图6　DBD细丝放电的电压和电流波形Fig.6　AppliedvoltageanddischargecurrentforfilamentarymodeofDBD微电路中阻挡介质的等效电容非常小,而对它充电的放电细丝的电流密度却比较大,这使得对应气隙上的电压迅速下降,放电细丝马上熄灭。单根放电细丝的典型参数是:寿命几十ns,直径约100μm,电流密度011～1kA/cm2,电子数密度(1014～1015)cm-3,输送电荷约100pC,输运能量・3・　2009年1月高　电　压　技　术第35卷第1期