O2的等離子體講解

1、等離子體和氣體 有很多相似之處，比如：沒有確定形狀和體積，具有流動(dòng)性，但等離子也 有很多獨(dú)特的性質(zhì)：(1)帶電的粒子互相之間沒有凈庫倫力的牽引；(2)導(dǎo)電性能優(yōu)，可利用這一特性進(jìn)行磁場發(fā)電；(3)粒子之間不存在磁力相吸；(4)在電離氣體過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)。且相比于一般氣體，等離子體組成的粒子間相互作用 也大很多，是具有高位能動(dòng)能的氣體團(tuán)。等離子體包含三種不一樣的組成微粒：沒有發(fā)生電離的原子、活性很強(qiáng)的自由電子、帶正電的離子。高溫等離子體：前者電離程度比較高，電離產(chǎn)生的電子和離子溫度也較高，被定義為“高溫 等離子體”。高溫等離子體幾乎能全部電離，各粒子間的溫度相同，整體呈現(xiàn)出熱力學(xué)平 衡的狀態(tài)，溫

2、度能達(dá)到5000 c以上，主要用來研究受控?zé)岷朔磻?yīng)；低溫等離子體(也稱非熱等離子體)：而后者的電離程度較輕，在放電過程中雖然溫度很高，但離子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比電子溫度低，總體形態(tài)呈現(xiàn)出低溫狀態(tài) ，后者非平衡等離子體，其與現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)關(guān)系也很密切， 如提煉冶金技術(shù)，材料表面的處理所以稱之為 “低溫等離子體” 低溫等離子體電離出的粒子間溫度不全相同，電子溫度也大大高于離子溫度，整個(gè)體系呈現(xiàn)出于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)。我們研究接觸的氣體放電所產(chǎn)生的等離子體都?xì)w類于技術(shù)，生產(chǎn)臭氧技術(shù)等均采用了等離子體技術(shù)，而該項(xiàng)技術(shù)近幾十年在污染物處理方面表現(xiàn)出來的卓越成績與巨大前景更引起 了廣大學(xué)者的關(guān)注，不僅運(yùn)作效率高，而且

3、節(jié)能環(huán)保。低溫等離子放電方法：電暈放電；火花放電；微波放電；輝光放電、介質(zhì)阻擋放電：絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電介質(zhì)可以覆蓋在電極上或放置于放電的空間之中。 有多種電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，既可以在放電電極間充滿特定的工作氣體， 用絕緣介質(zhì)將一個(gè)或所有電極覆蓋，也可以直接將介質(zhì)放置于放電空間，也有采用填充顆粒狀介質(zhì)的方式，向電極施于足夠大 的交流電壓，兩電極間的氣體迅速被擊穿并電離出大量電子，介質(zhì)阻擋放電過程便由此開始。介質(zhì)阻擋放電具有如下特點(diǎn)：(1)可以發(fā)生的氣壓范圍很寬，可以在較大的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)形成等離子體區(qū)，所以允許 有較大的氣體流量；(2)放電形態(tài)分布于放電空間內(nèi)，穩(wěn)定，無聲，不會(huì)局域于

4、某個(gè)放電通道上，形成類 似于輝光的狀態(tài)，發(fā)出藍(lán)色的光焰；(3)介質(zhì)阻擋放電由大量呈現(xiàn)細(xì)絲狀的快脈沖放電構(gòu)成，放電過程能夠通過改變外界 條件和電源特性來控制，如反應(yīng)時(shí)外界壓強(qiáng)、電源壓強(qiáng)、外界溫度、介質(zhì)性能、介質(zhì)安放方 式，簡單易行；(4)介質(zhì)的存在阻斷了擊穿通道的形成，不會(huì)形成火花或者電??；(5)適用于化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)反應(yīng)的氣體從供給的外部電壓中得到能量，由最初的絕緣 狀態(tài)到逐漸放電至最后被擊穿，氣體的化學(xué)分子被破壞， 化學(xué)鍵裂開，能電離產(chǎn)生許多活躍的自由基，這些自由基又會(huì)很快與其它的分子、原子或其它自由基反應(yīng)生成穩(wěn)定的分子或原子，整個(gè)過程中涉及到很多種化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)過程的反

5、應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理的物理化學(xué)分支學(xué)科，揭示化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能力之間的關(guān)系，最終目的是為了控制化學(xué)反應(yīng)過程，以滿足生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的要求。在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)上編制數(shù)值模擬程序進(jìn)行求解是研究中經(jīng)常采用的有效手段， 通過化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型可以得到與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果，對探究處理機(jī)理和預(yù)測處理效果十分有 用。介質(zhì)阻擋放電的主要特征參數(shù)：氣壓強(qiáng)度（P）10A5Pa電場強(qiáng)度（E）0.1100Kv/cm電場強(qiáng)度（E/n）100200Td微放電壽命（t）1-10ns微放電電流通道半徑（r）0.10.2mm每個(gè)微放電中輸運(yùn)的電荷量（q）110A-9c電流密度（j）1001000A/cm2電子密度（n

6、e） 10141015cm3 電子平均能量（Te）1-10ev能量密度（J）10-410-2J/cm3電離度（X ）10-4周圍氣體溫度（Tg）300K(4g(e)圖2.1典型的介質(zhì)阻擋放電裝置結(jié)構(gòu)圖（注：1-高樂電極. 2-介則3-接地電極：戶交流高電壓發(fā)生器）Ground«cRF Fssd詈PF陽鵬外SuQgtt ElecinodaPlate(a)GroynddSup時(shí)感-(b)I該反應(yīng)很復(fù)雜，這就需要我們正確擇選合理的化學(xué)反應(yīng)式，建立可靠的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型TABLE 1: Reactions 8nd Their Kioetic onsuntinKticimrate c tmLta

7、iuL (cm' DuolKiiLk s-L) refO + 0= + M 1 0十 MQ + ChS +6O, +。+ Ob + 嵬Oi(lA+ H»- 61 +HeQ：(煽 + O；- 2O；iO； f Aj + 0 * o； + o Oj(lAl) + O1O+ 2O;20: "白一on乜)一 d Q：&)+Hl5+He W> + 6一 2 01 Ol Q6-5一八肛0 KLd + ftr5.2 k 10 1；-Mpi>00 丁尸I 85 x 10 u'«p(I057 J)* ;1.5 x 0 ；喈即一”507)7.26

8、x 10 1 ip( 114G07yS 3 k ID 115 0 101.S5 x 10-w0 01 > 10 lL-exp(-S53,7J.7 " IQ H1.31 K。電值沖a' e!我700 7)1.0 x ID 17LG 比 IN8.0 K LO 1415 k ID 11C N在放電的條件下共生成 4總活性物質(zhì)1.O32.O (3P)3.O2(1Ag)4.O2(1 2 g)條件：電磁頻率能量密度RF 6.1-30.5W/cm3neutral temperature (中性溫度？原子溫度？)氧氮總壓600Torr100 ±40 七原本的1 Torr是指“

9、將幼細(xì)直管內(nèi)的水銀頂高一毫米之壓力”，而正常之大氣壓力可以將水銀升高760 mm ,故此將仃orr定為大氣壓力的 1/760倍。氧分壓 (0.5 to 5.0)*10A17 cm-3產(chǎn)生的物質(zhì):(0.2 to 1.0)*10A16 cm-3(0.2 to 2.0)*10人15 cm-3(0.1 to 4.0) *10A15 cm-3O(3P) +02(1 Ag)02(1 藝 g+)O3.0.5ms(O+O3=2O2)0.1ms30ms檢測方法：O的濃度與polyimide的蝕刻率有關(guān)O3紫外線吸收光譜測其濃度Jeone et al.Chew"向Figure 2.of the appa

10、ratus us«i for (a) tms-nesolved UVabsoiptiDD and optica smssicia spectroscopy： and (b) tune-BX'eraEed infixed emission spectroscopy *vidiout inTerfference from background enuMiD口 from the plasxa5. O2(1 2 g) O2(1Ag) O(3P)用發(fā)射光譜來測其濃度變化(S，B) 1_3U£U- Uoss-E 山4012201240126012801300132013404F

11、igure 3. Infrared enn>:icu spectrum of Ihe plasma And the aflerdcnv for operation at 24.4 W citf. 6 0 Torr of O： and 120 C-Plasma*Afterglow 5.3 Torr1.5 Torr3.0 Torr2 0 8s 4 2EO Q£u,QlpJwauooaLI2。 1L4Torr-.-17 7.6 Torr -20603j01220124012601280130013201 340Wavelength (nm)Distance (mm)Tigurf 4.

12、 The depejjdence of the ozone cancaitratioii on wa portion jind 0xv*n partial prej：me fbr an applied power of 24.4 11 and a cas Temperahire Jf 120 C.相對于不同的進(jìn)口氧分壓，流動(dòng)距離55mm,是一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。都有很快的增加。到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。得知：臭氧的生成與該反應(yīng)有關(guān)。1016Distance mmj 1(y'io°io-1(F(F Eu) UO二 BUBULI0O100101Time (ms)6.0 托，120 度 24.4

13、W/cm310 科后1.3*10人17cm-36.0*10人15cm-35.0*10人15cm-31.0*10人15cm-32.5*10人15cm-3放電后 O+O2=O3 (Figure 5. The dqjenxieijce of th O. Q； (AJ 6 O1) and Oj cojwenttaticins an time and distance foroperition at 244W cm 6.0 Ton of O> and 120 C (svmbok aie the expenmentil data, whereas the lines are die model pr

14、edictioii).時(shí)間與各活性組分間關(guān)系穩(wěn)態(tài)O2O等價(jià)于2%O2O2(A)等價(jià)于 3.5%O2O2(S)O35*10人15cm-3 )3ms后 O (1.0*10A15cm-3 ) 大量活性物質(zhì)很快衰退1002OQ 30D400 WO 600RF PowerW)Fisuj 6. The efifect of the RF power on the c<MicemranaQ5 of O atoms 值，6 0Ap (0, 0； C11,*) (), Oi (0)- md temperantre () at 6.0 Ton CKRF Power (Wa1t，eu) U04E二CJQJnu

15、s100200300400600Fieuj ? 6. The eflfect of ihe RF power on the canjcemranoD of O atomi； 以，Q： GAj) (O). 0； OS,*) (). & 0). and 交岬er自mre【)al 6.0 Ton CKO ocPRF1.9, O2 (1 ocPRF0.8, O2 (1ag+) xPRF1.5, O3 ocPRF-0.2.曠 cb- co=misocs145 5 7 6 910J. Rg Chem. A, FoL 104, No 34, 20Q0 8031O2 Partial Pressure (Torr>figure 7, The effect of the oxygen prepare on 收 coucentiacious of 0 atoau 、0、CAJ (O). O W =1(). and 6 f二 at 24.4 V cm3 and 120 C.O 工 PO20.6,02(1 oc PO20.5, O2 (1ag+) s PO2-0.2, O3 工 PO