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西安光机所等离子体器件研发取得突破性研究进展

2020-03-26

近日,西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室汤洁研究员课题组在低温等离子体器件研发方面取得突破性研究进展,该研究成果以“A highly cost-efficient large-scale uniform laminar plasma jet array enhanced by V–I characteristic modulation in a non-self-sustained atmospheric discharge”为题,在线发表于国际顶级综合性学术期刊Advanced Science《尖端科学》(IF: 15.8 @2018,SCI一区)。本研究成果是我所首次以第一单位发表影响因子大于15的高水平研究性论文,标志着我所在前沿基础科学研究领域取得的重要突破,并加快我所在等离子体学科领域的应用步伐。

低温等离子体在生物医学、材料制备、薄膜沉积、纳米颗粒制造等领域有着重要的应用价值。近几十年来,在低温等离子体技术方面,为了提高等离子体射流工作效率,人们一直致力于研发大面积均匀弥散等离子体射流。等离子体阵列是一种常见的方法,比如一维线形梳状等离子体射流阵列、二维蜂窝等离子体射流阵列,以及二维方形点阵等离子体射流等。在绝大多数情况下,这些阵列放电单元采用介质阻挡放电(DBD)结构,产生的等离子体射流截面尺寸局限于平方毫米量级。由于在各放电单元之间设置了电极和介质阻挡层,射流之间的间距达到几毫米甚至几十毫米。这种结构特征在很大程度上降低了等离子体射流的均匀性,极易导致样品表面处理不均或不全,出现遗漏工误,从而降低等离子体射流的工作效率和工作质量。另外,以廉价的氩气作为工作气体,在类似于DBD放电的结构中,极易形成细丝,阻碍均匀弥散等离子体的形成。为了获得稳定弥散的等离子体,上述阵列装置常采用昂贵的氦气作为工作气体,在很大程度上增加了运行成本。以氩气作为工作气体,采用直流辉光放电获得弥散等离子体是一种行之有效的方法。然而直流辉光放电会在限流电阻和放电空间产生大量的焦耳热,致使能量大幅损耗,并降低能量使用效率。因而,低成本、低功耗、大面积、均匀弥散等离子体射流的研发,一直是摆在人们面前悬而未决的一个极具挑战性的难题。

针对上述科学和技术问题,汤洁研究员课题组提出了一种伏安特性调制增强气体放电理论及方法,并基于这一理论或方法,突破传统等离子体射流体积尺寸小,均匀性差,工作效率低的局限,设计研发出一种大气常压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列。在该项工作中,首次提出并利用直流辉光放电自身的伏安特性来增强等离子体射流的体积、化学活性,以及工作效率。其关键点在于:

1)依据伏安特性调制理论,在非自持放电条件下,采用并联的方式,增加放电截面面积,降低维持电压,成功实现从亚辉光到辉光放电模式的转变,达到放电增强的目的;

2)采用柱面圆弧电极,优化电场分布,降低各单元之间的电场差异,实现等离子体射流阵列持续稳定放电;

3)放电回路采用并联嵌套设计方式,以及正负电极空间交替布置策略,增强等离子体均匀性。

基于上述关键性技术,解决了在直流辉光放电中同时获得低成本、低功耗、大面积、均匀弥散等离子体射流的瓶颈问题。结果表明,等离子体射流宽度从原有的15 mm增加到90 mm,等离子体射流的均匀性从30%的常规水平提升到97%;通过伏安调制法,实现了在放电功率降低到原有65%的情况下,等离子体射流长度增加了近4倍的效能。该项研究成果将为低温等离子体技术应用的推广起到重要的促进作用。

该项工作得到了国家自然科学基金、中科院西部之光青年学者(A)、中科院光谱成像技术重点实验室开放基金项目的大力支持。(瞬态室 供稿)

全文链接:https://doi.org/10.1002/advs.201902616

 

 

 

(来源:中国科学院西安光学精密机械研究所

 

 



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