大气压放电等离子体特性及应用领域概述槽形托辊

2020-02-27 12:09

大气压放电等离子体既有与低气压放电等离子体一些相同的特性,如它们均属于部分电离气体、体系中的化学活性基团(电子、离子、激发态中性粒子、自由基等)是其应用的主要物种、电磁场对其有明显的作用效果,以及鞘层对其放电稳定性、能量传递机制等有重要影响;而另一方面,大气压放电等离子体由于是在开放大气环境且有气体流动的条件下产生,等离子体中粒子的平均自由程通常较放电的特征尺度要小得多。因此,从基础研究的角度来看,大气压放电等离子体呈现出如下新的特点:

1)传热、流动、传质过程与电磁场强烈耦合,流动边界层、热边界层、电边界层(即鞘层)、甚至包括化学反应边界层相互耦合,并对放电模式、稳定性等产生明显的影响;也就是说,在大气压放电等离子体体系中,除了在低气压放电等离子体领域所研究的等离子体物理学问题,如电极过程、化学反应动力学过程外,还涉及了传热传质学、流体力学、化学和电动力学等多个学科领域的研究内容。

2)放电的局部效应更加显著,而非低气压条件下的集体效应。

3)表现出强碰撞等离子体的特点,这将对等离子体中电子和重粒子两子体系间的能量传递机制产生显著的影响。

从应用的角度来看,由于等离子体在大气压开放环境条件下产生和应用,因此,一方面,等离子体自身的产生和维持系统变得简单、设备的制造和维护成本大大降低,等离子体源具有更好的移动性,材料处理工艺过程易于实现自动化,操作方便、效率高;冷等离子体在其参数空间上与生命体的生存空间参数一致,极大地拓展了其在生物医学及其他相关领域(如消毒灭菌、生化洗消、病媒生物控制等)的应用。

大气压放电等离子体基本特征及其典型的应用领域。可以看到,真空系统的移除使得大气压放电等离子体,特别是冷等离子体的应用领域得到了极大的拓展,比如等离子体生物医学、流动控制、辅助燃烧、环境保护及战地生化洗消等应用都是在低气压密闭环境中所无法完成的。

另一方面,在大气压条件下整个等离子体材料处理体系变得较低气压条件下的情形更加复杂,这主要表现在:1)等离子体与环境空气的作用过程更加复杂,对等离子体成分时空演化的调控变得十分必要,同时也变得更加复杂和困难。2)能量传递通道及机制更加复杂,我们可以通过对等离子体体系中能量注入、传递及损失路径的控制为其应用提供具有不同气体温度的、种类丰富。3)放电产生和维持的机制更加复杂,在等离子体关键参数调控灵活性增加的同时,其特性调控的难度也显著增加。

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