1、 课题背景

1.1 大气压低温等离子体

等离子体(Plasma)是一种在宏观尺度内表现并维持电中性的非凝聚系统，广泛存在于宇宙中，又因与自然界中物质的固、液、气三态基本存在形式不同，被称为”物质的第四态”。它是由于原子及原子团的部分电子被剥夺后产生的离子化气状物质，包含有大量的电子、正负离子、基态和激发态的原子、分子以及光子^[1-3]。它与气体有许多相似之处，无固定的形状和体积，有流动性，也被称为”超气态”。

按照热力学平衡分类，可以将等离子体分为平衡态等离子体、局部平衡态等离子体、非平衡态等离子体。平衡态等离子体又被称为高温等离子体，组成等离子体的电子、阳离子、中性粒子都处于热平衡状态，温度较高，能达到10⁴eV以上主要由大气电弧、电火花和火焰产生；局部平衡态等离子体中局部的电子、阳离子、中性粒子处于热平衡状态，温度也低于平衡态等离子体；非平衡态等离子体又被称为低温等离子体，组成等离子体的电子温度远远高于阳离子和中性粒子的温度^[4-6]。低温等离子体的气体密度较低，电子与中性粒子的碰撞频率也比较低，电子在电场的作用下比较容易获得较高的能量，电离较为容易发生。因此在低气压条件下比较容易获得较高密度的等离子体，同时还能保证气体的温度保持在较低的水平，此时产生的活性粒子的浓度相对较高且具有较好的化学特性，所需能源消耗少，更具实际应用价值。

大气压低温等离子体技术是一种能够在敞开的环境中产生包含有大量电子、离子、激发态粒子和其他高化学活性物质的非平衡态等离子体发生技术，产生的活性物质有助于推动常温常压条件下难以发生的化学反应过程的进行^[7-9]，因此该技术能够有效地克服传统湿法化学法和低气压辉光放电处理的节能和环保等问题的缺点，各个工业领域具有巨大的市场潜力，是实现工业化和获得更好效果的新技术方法。

1.2 大气压低温等离子体产生方式

产生大气压低温等离子体的主要方式有辉光放电(Glow Discharge)、电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)、大气压等离子体射流(Atmospheric Pressure Plasma Jet, APPJ)等气体放电形式。

辉光放电是指低压气体中显示辉光的气体放电现象，是稀薄气体中的自持放电（自激导电）现象，工作气压一般都低于10mbar，在封闭的容器内放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量^[1-2]。电源可以为直流电源也可以是交流电源，施加电压后放电间隙中的游离电子在电场的作用下，被加速而获得能量，与中性气体碰撞电离形成等离子体。

电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是最常见的一种气体放电形式，在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电^[1-2]。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶。

DBD是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，又称作介质阻挡电晕放电或无声放电。气体击穿后，空间电荷聚集在介质上形成电场，这个电场与外电场相反，从而削弱作用电场，这样会中断放电电流，导致装置无法继续放电，所以DBD必须要采用交流电使放电过程继续启动，从而装置持续运行起来。由此可以看出，它是放电、熄灭、再放电的重复且复杂的过程。由于DBD在产生的放电过程中产生的大量化学性质非常活跃的自由基和准分子很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子，因而可利用这些自由基的特性来处理挥发性有机化合物，在环保方面也有很多应用^[1-2]。