大气压放电等离子体研究进展综述

第42卷第12期：3697-3727高电压技术Vol.42,No.12:3697-37272016年12月31日HighVoltageEngineeringDecember31,2016DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20161128001大气压放电等离子体研究进展综述李和平1，于达仁2，孙文廷3，刘定新4，李杰5，韩先伟6，李增耀7，孙冰8，吴云9（1.清华大学工程物理系，北京100084；2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001；3.DepartmentofAerospaceEngineering,GeorgiaInstituteofTechnology,Atlanta,GA30332,USA；4.西安交通大学等离子体生物医学研究中心，西安710049；5.大连理工大学电气工程学院，大连116024；6.陕西动力机械设计研究所陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室，西安710100；7.西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049;8.大连海事大学环境科学与工程学院，大连116026；9.空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室，西安710038）摘要：本论文简要回顾了大气压放电等离子体的发展历史，介绍了大气压放电等离子体的产生方式和分类，从基础研究和应用两个不同的层面分析了大气压与低气压放电等离子体的异同点。在此基础上，就大气压放电等离子体在生物医学、环境保护、先进材料合成、主动流动控制以及辅助燃烧等典型应用领域的研究进展进行了详细的综述，包括大气压放电等离子体在上述不同领域的研究进展以及亟待解决的主要科学和技术问题等。基于此，凝练了目前大气压放电等离子体源基础和应用研究所面临的共性关键科学问题和核心技术问题，这对今后该领域开展多学科深度融合的、以应用为导向的研究工作具有一定的借鉴作用。关键词：大气压放电等离子体；生物医学；环境保护；流动控制；辅助燃烧State-of-the-artofAtmosphericDischargePlasmasLIHeping1,YUDaren2,SUNWenting3,LIUDingxin4,LIJie5,HANXianwei6,LIZengyao7,SUNBing8,WUYun9(1.DepartmentofEngineeringPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;3.DepartmentofAerospaceEngineering,GeorgiaInstituteofTechnology,Atlanta,GA30332,USA;4.CentreforPlasmaBiomedicine,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;5.SchoolofElectricalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;6.ShaanxiKeyLaboratoryofPlasmaPhysicsandAppliedTechnology,ShaanxiPowerMachineDesignandResearchInstitute,Xi’an710100,China;7.SchoolofEnergyandPowerEngineer-ing,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;8.EnvironmentalScience&EngineeringCollege,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China;9.ScienceandTechnologyonPlasmaDynamicsLab,SchoolofAeronauticsandAstronauticsEngineering,AirforceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China)1Abstract：Wereviewedabriefhistory,productionmethods,andclassificationsconcerningatmosphericdischargeplasmas,andcomparedtheatmospheric-pressureandlow-pressuregasdischargeplasmasourcesformtheaspectsoffundamentalresearchandapplications.Moreover,wesummarizedthestate-of-the-artofthetypicalapplicationsofdifferentatmos-phericdischargeplasmasourcesinthefieldsofbio-medicalscience,environmentalprotection,advancedmaterialssynthesis,activeflowcontrol,andplasma-aidedcombustion,includingtheR&Dprogressandthekeyproblemstobesolvedintheprecedingapplications.Thereby,wediscussedthekeyscientificandtechnologicalissuesencounteredduringthepresentR&Dstageoftheatmosphericplasmas.Thiswillbehelpfulfordevelopingthemulti-disciplinaryapplica-tion-orientedplasmascienceandtechnologyinfuture.Keywords：atmosphericdischargeplasma;bio-medicalscience;environmentalprotection;flowcontrol;plasma-aidedcombustion———————基金资助项目：国家自然科学基金(11475103；51421063；51522606)。ProjectssupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(11475103,51421063,51522606).3698高电压技术2016,42(12)1大气压放电等离子体概述1.1等离子体科学与技术发展简史等离子体由希腊语πλασμα而来，英文是plasma，其本意是指血浆、原生质。1879年英国物理学家Crooks在研究阴极射线管时，发现其中存在着带有正电荷和负电荷的带电粒子，是不同于物质通常三种形态（固、液、气）的“物质第四态”[1]。1928年，美国科学家Langmuir将生物学领域的“plasma”这个名词引入到物理学领域中[2]，开启了等离子体物理学研究的新纪元。“Plasma”的中文译名“等离子体”在大陆是由王承书先生在1958年提出来的，台湾的学者则将“plasma”一词译为“电浆”，这在很大程度上是受到了英文译名“血浆”的影响。等离子体研究的历史昀早可以追溯到1600年人类关于电的研究，而有关大气压放电等离子体（atmosphericdischargeplasma,ADP）的研究则似乎可以追溯到1857年WernervonSiemens采用介质阻挡放电（dielectricbarrierdischarge,DBD）法产生臭氧的研究[3]；之后在1860年，Andrews和Tait将这种放电形式称为“SilentDischarge”[4]。进入20世纪，随着等离子体科学与技术的蓬勃发展，有关大气压条件下的气体放电等离子体基础研究和应用开发获得了飞速发展，特别是50年代空间研究计划的迫切需求推动了热等离子体研究的迅速发展，并将其成功应用到了焊接、切割、喷涂等工业领域。另外，有关大气压冷等离子体的研究也在20世纪有了很大程度的发展，如1933年Engel等人通过首先在低气压下获得辉光放电，然后逐渐升高气压的方式获得了大气压直流辉光放电[5]，Schwab等人在1969—1970年间通过首先将两裸露金属铜电极接触，当外加电压增加到某一数值后再逐渐将两电极分开的方法获得了大气压空气射频辉光放电等离子体[6-7]，Schütze等人则在大气压条件下采用水冷裸露金属电极结构等离子体发生器和射频电源驱动获得了稳定的氦气大气压射频辉光放电[8]。进入21世纪以来，等离子体科学与技术的发展呈现出显著的多学科交叉融合、蓬勃发展的新局面。1.2大气压放电等离子体产生方式及其分类概述在大气压条件下产生等离子体的方式有多种，从等离子体发生器的电极结构、个数来看，可以分为无电极放电（如射频电感耦合放电、微波放电）、单电极放电（如电晕放电、单极放电所形成的等离子体射流）、双电极放电（如介质阻挡放电、裸露电极射频辉光放电）以及多电极放电（如采用浮动电极作为第三个电极的放电）；从电源的驱动频率来看，大气压放电的电源频率覆盖了从微波（GHz级）到直流广阔的频率范围。对于等离子体的分类，不同的研究者可以根据不同的标准，例如上述所讲的电源驱动频率、电极结构等进行分类，也可以按照所产生的等离子体参数进行分类。例如，根据等离子体的气体温度可以将采用不同方式所产生的等离子体分为热等离子体（气体温度在10000K量级）、暖等离子体（气体温度在3000~5000K量级）和冷等离子体（气体温度在室温附近）；根据等离子体所处的热力学状态可以分为接近局域热力学平衡（localthermodynamicequilibrium，LTE）的等离子体（通常为热等离子体）和远离局域热力学平衡的等离子体（通常为暖/冷等离子体，这种等离子体甚至呈现出显著偏离局域化学平衡（localchemicalequilibrium，LCE）状态的特点）。在描述等离子体特性的诸多参数中，等离子体的重粒子温度（Th）、电子温度（Te）和电子数密度（ne）是3个重要的参数。通过这3个参数，我们可以较为方便地判断等离子体所处的状态，即是否处于LTE和/或LCE状态，而这一点对于确定特定等离子体源的应用领域十分重要（关于这一点，我们将在0.3节做较为详细的讨论）。图1给出了几种典型的大气压气体放电等离子体源的参数图谱，其中θ=Te/Th表征等离子体的热力学非平衡度，即当θ=1时表征等离子体处于LTE状态；而当θ1时则表明等离子体偏离LTE状态（non-LTE），且θ值越大，表明等离子体偏离LTE的程度也越大。可以看到，等离子体参数跨越了从室温（约300K）到10000K广阔的气体温度范围，而电子数密度则从1017m−3到1023m−3跨越了6个量级。在已知Th和Te的条件下，即可根据质量作用定律（即Saha方程）得到化学平衡条件下等离子体中不同组分的数密度，包括电子数密度（*en）[9]；通过比较计算得到的*en值与实际的等离子体电子数密度（ne）数值即可进一步判断等离子体偏离LCE的程度。1.3大气压放电等离子体特性及应用领域概述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、激发态中性李和平，于达仁，孙文廷，等：大气压放电等离子体研究进展综述3699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