西安光機所等離子體器件研發取得突破性研究進展

    近日,西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室湯潔研究員課題組在低溫等離子體器件研發方面取得突破性研究進展,該研究成果以“A highly cost-efficient large-scale uniform laminar plasma jet array enhanced by V–I characteristic modulation in a non-self-sustained atmospheric discharge”為題,在線發表于國際頂級綜合性學術期刊Advanced Science《尖端科學》(IF: 15.8 @2018,SCI一區)。本研究成果是我所首次以第一單位發表影響因子大于15的高水平研究性論文,標志著我所在前沿基礎科學研究領域取得的重要突破,并加快我所在等離子體學科領域的應用步伐。

    低溫等離子體在生物醫學、材料制備、薄膜沉積、納米顆粒制造等領域有著重要的應用價值。近幾十年來,在低溫等離子體技術方面,為了提高等離子體射流工作效率,人們一直致力于研發大面積均勻彌散等離子體射流。等離子體陣列是一種常見的方法,比如一維線形梳狀等離子體射流陣列、二維蜂窩等離子體射流陣列,以及二維方形點陣等離子體射流等。在絕大多數情況下,這些陣列放電單元采用介質阻擋放電(DBD)結構,產生的等離子體射流截面尺寸局限于平方毫米量級。由于在各放電單元之間設置了電極和介質阻擋層,射流之間的間距達到幾毫米甚至幾十毫米。這種結構特征在很大程度上降低了等離子體射流的均勻性,極易導致樣品表面處理不均或不全,出現遺漏工誤,從而降低等離子體射流的工作效率和工作質量。另外,以廉價的氬氣作為工作氣體,在類似于DBD放電的結構中,極易形成細絲,阻礙均勻彌散等離子體的形成。為了獲得穩定彌散的等離子體,上述陣列裝置常采用昂貴的氦氣作為工作氣體,在很大程度上增加了運行成本。以氬氣作為工作氣體,采用直流輝光放電獲得彌散等離子體是一種行之有效的方法。然而直流輝光放電會在限流電阻和放電空間產生大量的焦耳熱,致使能量大幅損耗,并降低能量使用效率。因而,低成本、低功耗、大面積、均勻彌散等離子體射流的研發,一直是擺在人們面前懸而未決的一個極具挑戰性的難題。

 針對上述科學和技術問題,湯潔研究員課題組提出了一種伏安特性調制增強氣體放電理論及方法,并基于這一理論或方法,突破傳統等離子體射流體積尺寸小,均勻性差,工作效率低的局限,設計研發出一種大氣常壓介質阻擋放電增強型直流交替電極低溫等離子體射流陣列。在該項工作中,首次提出并利用直流輝光放電自身的伏安特性來增強等離子體射流的體積、化學活性,以及工作效率。其關鍵點在于:

1依據伏安特性調制理論,在非自持放電條件下,采用并聯的方式,增加放電截面面積,降低維持電壓,成功實現從亞輝光到輝光放電模式的轉變,達到放電增強的目的;

2)采用柱面圓弧電極,優化電場分布,降低各單元之間的電場差異,實現等離子體射流陣列持續穩定放電;

3)放電回路采用并聯嵌套設計方式,以及正負電極空間交替布置策略,增強等離子體均勻性。

 基于上述關鍵性技術,解決了在直流輝光放電中同時獲得低成本、低功耗、大面積、均勻彌散等離子體射流的瓶頸問題。結果表明,等離子體射流寬度從原有的15 mm增加到90 mm,等離子體射流的均勻性從30%的常規水平提升到97%;通過伏安調制法,實現了在放電功率降低到原有65%的情況下,等離子體射流長度增加了近4倍的效能。該項研究成果將為低溫等離子體技術應用的推廣起到重要的促進作用。

該項工作得到了國家自然科學基金、中科院西部之光青年學者(A)、中科院光譜成像技術重點實驗室開放基金項目的大力支持。(瞬態室  供稿)

 

全文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.201902616

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