增强型直流辉光放电等离子体射流放电特性与机理的研究

As we know, the low-temperature plasma generated by atmospheric-pressure glow discharges represents the most promising discharge candidate for applications such as surface modification and plasma sterilization, due to its moderate areal power density and favorable discharge uniformity. Direct-current (DC) glow discharge is considered as one of the popular approaches that generate low-temperature uniform plasmas at atmospheric pressure. Based on the study of the plasma jet generated by dielectric-barrier discharge enhanced and magnetic field enhanced DC glow discharges, we will focus our efforts on the development of large-area and low-power plasma reactors and the exploration of mechanisms of enhanced DC glow discharges and optimal working conditions of plasma reactors. This project is aimed at achieving the dimension and configuration optimization principle of plasma reactors, the formation mechanisms of plasma generated by the enhanced DC glow discharges, the spatio-temporal distribution and evolution of reactive species, and the control strategy of operational parameters under the optimal working condition of plasma reactors. This work will establish the foundation theory of enhanced DC glow discharges, further improve the basic theory and method of atmospheric-pressure glow discharge, and provide the theoretical guidance for the low-power and high-efficiency working of plasma reactors. Thus, this study is of great guiding significance in promoting the application of atmospheric-pressure DC glow discharge to the fields such as surface modification and plasma sterilization.

大气压辉光放电等离子体凭借其功率密度适中和放电均匀特性，成为等离子体表面改性和灭菌消毒的最佳选择，直流辉光放电是产生大气压辉光放电等离子体的主要方式之一。本项目以介质阻挡放电增强型和磁场增强型直流辉光放电等离子体射流为研究对象，开展大面积低能耗低温等离子体发生装置的研发、两种增强型直流辉光放电等离子体射流放电机理，以及等离子体发生装置最佳工作状况的研究。以期获得等离子体发生装置尺寸与结构的优化原则、介质阻挡放电和磁场两种增强型等离子体产生机制和活性物种的分布与演变规律，以及等离子体发生装置最佳工况操作参数的控制策略。建立增强型直流辉光放电的理论基础，进一步完善大气压辉光放电的基本理论和基本方法，为等离子体发生装置低能耗高效率工作提供理论依据。本研究对大气压直流辉光放电在表面改性和灭菌消毒等应用领域的推广具有重大的指导意义。

常压增强直流辉光放电是产生大面积或高活性等离子体的主要方式之一。然而，增强条件下的放电特性和机理尚不清楚，以及最优控制策略并不明确。本项目主要以直流放电等离子体为研究对象，开展了大面积、低能耗、高活性低温等离子体发生装置的研发，增强型直流辉光放电等离子体射流放电特性与机理和最佳工作状况研究，以及直流放电等离子体应用研究。提出了双极性扩散离子牵引与雪崩电离离子补偿弥散等离子体射流形成新机制。研制出常压伏安特性调制增强型非自持直流辉光放电等离子体射流阵列，射流宽度从15mm增加至90mm，射流均匀性从30%提升至97%；利用伏安调制，在放电功率降低到原有65%的情况下，射流长度增加近4倍。阐明了介质阻挡放电预电离增强直流辉光放电等离子体产生机制和活性物种的分布与演变规律，揭示了磁场增强直流辉光放电等离子体特性和形成机制，获悉了等离子体发生装置参数调控的优化原则及最佳工况的控制策略。应用研究表明：常压磁约束微型直流辉光放电质谱离子源，可将样品质谱信号提高10倍，检出限降低到原有的1/10，使得部分待测有机物样品的检出限达到几十ppt的水平；基于离子动力学调制，实现了火花和电弧放电的有序调控，以及原子和离子光谱信号的选择性增强，在维持光谱信号2个数量级提升情况下，放电能耗降低了约1个数量级，再结合改进的小波变换降噪方法，微量元素（Mg、Si）探测灵敏度提高近2个数量级；采用氮气等离子体-液态苯相互作用的直接胺化反应新方法，在常温常压下实现了从氮气和苯直接到苯胺或二苯胺的高效快速转化，总胺化产率可达45%。上述研究，为均匀、大面积、高活性等离子体器件的研发提供一种全新思路；在建立增强型直流辉光放电的理论基础的同时，进一步发展和完善了大气压辉光放电的基本理论和基本方法；不仅为低温等离子体在含氮有机物合成领域的应用起到重要促进作用，而且大力推进了高电压直流放电在元素分析与成分鉴定等领域的应用步伐。