低温等离子体的研究进展

龙源期刊网低温等离子体的研究进展作者：赵炎鑫饶东升来源：《电子技术与软件工程》2015年第12期摘要近年来，低温等离子体的相关技术引起人们的广泛关注，关于低温等离子体的相关研究更加广泛，包括伤口愈合、癌症治疗、纳米材料和耐摩擦、耐腐蚀材料的制备等，随着低温等离子体技术的快速发展，低温等离子体的研究和应用将更加成熟。本文分析了低温等离子体定义和独特性能，阐述了低温等离子体的相关研究。【关键词】低温等离子体研究进展低温等离子具有很低的电离率，离子温度高于电子温度，因此低温等离子体是一种非热平衡等离子体，其中包含大量的活性粒子，容易和接触材料发生化学反应，和其它离子体相比，低温等离子体技术具有无污染、无废弃物、成本低等优点。1低温等离子体定义在自然界中，随着温度变化，物质主要有气态、液态和固体三种物态，称为物质的三态。当温度继续上升，物质分子之间的热运动不断加剧，在相互碰撞作用下，气体分子产生电离，成为相互作用和自由运动的电子和正离子混合物，这种物质状态被成为等离子。气体放电是指通过高频感应电场或者外加电厂使气体导电，这是产生等离子体的一个重要手段。在低气压条件下，电子和重粒子之间的碰撞较少，电子难以将电场能量传递给重粒子，这时气体温度低于电子温度，称为非平衡等离子体。假设中性粒子、离子、电子的温度分别为Tn、Ti、Te，将这三种粒子温度近似相等的等离子体成为热等离子体；由于数百帕以下低气压等离子体处于一种非热平衡状态，这时电子和中性粒子或者粒子碰撞过程中，能量损失极小，电子温度高于离子和中性粒子的温度，将这样的等离子体被称为低温等离子体。2低温等离子体的相关研究2.1低温等离子体放电形式（1）直流放电。直流放电主要指低频放电，在电流和气压范围存在明显差异，气体中粒子热量传递和扩散速度、电子碰撞频率等不同，会出现弧光放电区、辉光放电区和暗电流区。辉光放电区电流不断增大时，在电场作用下，宇宙射线产生的游离电子加速获得能量，和大量中性气体发生碰撞，产生等离子体。在低电压条件下，等离子体主要是弹性碰撞，在高电压条件下，主要是非弹性碰撞，电子获得大量能量，产生电离维持放电，直流放电电流不断增大。同时，在电场作用下电子撞击阴极，发射二次电子，电子加速向阳极运动过程中和气体分析发龙源期刊网生碰撞，使气体放电和电离过程得以维持。等离子体击穿电压VT和放电间距d、气压p之间的关系式：，其中，C1、C2是和等离子体性质相关的常数。直流辉光等离子体有明显的明暗区，其大小和分布与电极间距、放电管形状大小、气压等有着密切的关系。（2）低频交流放电。低频交流放电主要是指高频和工频放电。工频放电过程中，阳极和阴极以工频交替发生变化，工频放电特性和直流放电相似。高频放电过程中，电子在电场往复运动，分子和电子碰撞，电子将从电厂获取的能量传递给分子，使得气体温度不断升高，或者产生电离、离解和激发现象。和直流辉光放电相比，低频交流放电更加均匀。低频交流放电，在两个电极之间提供100Hz的高压，一次瞬间DC放电作为半周期，每半周期改变极性，重新激发放电，离子临界频率定义为，电源临界频率和频率控制两个半周期正离子的寿命，L是两电极间距，d是离子平均漂移速度。当电厂频率fi时，在放电半周期内，阳极离子运动不到阴极，因此在放电周期不断变化时，在下半周期一部分离子增加到等离子体，再进行放电，离子临界频率低于电子临界频率，电子漂移速度快、质量小，离子临界频率是保持低频交流放电等离子体的重要参数。2.2低温等离子体发生器（1）电弧等离子体发生器。电弧等离子体发生器可产生大量的定向低温等离子体射流，其通过阳极和阴极之间的弧光放电，产生不受约束、自由燃烧的电弧，弧柱较粗，温度很低，当电极电弧受到水流、外磁场、发生器器壁、外界气流的压缩，分别造成水稳定弧、磁稳定弧、壁稳定弧和气稳定弧。（2）高频感应等离子发生器。高频等离子体发生器主要利用无电机感应耦合，将高频电源能量输送给连续气流，实现高频放电。高频等离子体发生器没有电极，只有线圈，不会出现电机损耗问题，可产生非常纯净的等离子体，使用寿命较长，被应用来炼制多种高纯度难熔材料，如海绵钛、炼制铌、光导纤维、拉制单晶、无水石英、蓝宝石等。（3）低气压等离子体发生器。低气压等离子体发生器主要由反应气供给系统、抽真空系统、放电室和等离子体电源组成，将聚合膜层基体表面或者固体表面放置在放电环境中，由低温等离子体进行处理，当气压处于133帕左右时，由于低气压等离子体是一种冷等离子体，气体温度明显低于电子温度，不仅有足够能量处理固体表面，也不会烧坏基体，低气压等离子体发生器被广泛的应用在清洗、刻蚀、制备薄膜、等离子体聚合等表面处理工艺中。2.3低温等离子体灭菌传统灭菌方法主要包括紫外杀菌、巴氏杀菌、高压灭菌等，低温等离子体灭菌主要通过化学法、过滤法和放射线法三种方法，虽然等离子体灭菌设备投资较大，但是低温等离子体灭菌具有无环境污染、灭菌时间短、安全性高、无药物残留等优点。据实验证明，对枯草杆菌芽孢龙源期刊网进行灭菌实验，在射频功率400W环境中，等离子体放电1分钟内可完全消灭枯草杆菌芽孢；对嗜热脂肪杆菌芽孢进行灭菌实验，在射频功率400W环境中，低温等离子体放电30秒钟内完全灭菌，而采用传统的低温环氧乙烷灭菌技术，对枯草杆菌芽孢灭菌需200分钟，对嗜热脂肪杆菌芽孢灭菌需30分钟。3结束语近年来，低温等离子体技术快速发展，在多个领域广泛应用，而每一项等离子体应用都包含多种学科内容，随着现代化科学技术的快速发展，应进一步加大低温等离子体的研究力度，开发多种应用技术，积极推动现代化技术创新。参考文献[1]江南.我国低温等离子体研究进展[J].物理，2011（02）：130-139.[2]孟月东，钟少锋，熊新阳.低温等离子体技术应用研究进展[J].物理，2012（02）：140-146.[3]孟江燕，李伟东，王云英.低温等离子体表面改性高分子材料研究进展[J].表面技术，2010（05）：86-89.作者简介赵炎鑫（1989-），男，河南省新乡县人。合肥工业大学，工程硕士学位，电子与通信工程专业。饶东升（1989-），安徽省庐江县人。合肥工业大学，专业硕士学位，电子与通信工程专业。作者单位合肥工业大学安徽省合肥市230000