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《大气压气体放电及其等离子体应用》主要阐述大气压放电等离子体的基础理论、数值模拟、诊断方法、放电特性及等离子体应用等。《大气压气体放电及其等离子体应用》分三部分，共18章。**部分基础篇，共5章，介绍等离子体基础和气体放电基本理论、流体数值模拟、粒子模拟、放电非线性和等离子体光谱诊断。第二部分特性篇，共6章，介绍介质阻挡均匀放电、纳秒脉冲弥散放电、表面介质阻挡放电、等离子体射流、合成射流和射频等离子体。第三部分应用篇，共7章，介绍大气压放电等离子体技术在材料表面处理、废水处理、医学应用、流动控制、生物育种、氧化处理、果汁保鲜七个典型领域的应用。

目录

序一

序二

前言

**篇 放电及等离子体基础

第1章 等离子体基础和气体放电理论（欧阳吉庭） 3

1.1 引言 3

1.2 等离子体的一般性质 4

1.2.1 离子密度和电离度 4

1.2.2 电子温度和离子温度 5

1.2.3 等离子体的准电中性 5

1.2.4 等离子体鞘 8

1.2.5 放电等离子体中的基本过程 9

1.2.6 带电粒子的迁移和扩散 11

1.3 气体放电理论 14

1.3.1 汤生放电理论 15

1.3.2 流注放电理论 19

1.3.3 汤生放电与流注击穿之间的过渡 26

1.4 大气压放电等离子体 27

1.5 小结 29

参考文献 30

第2章 大气压射频气体放电数值模拟（张远涛） 31

2.1 引言 31

2.2 常用理论与算法 34

2.2.1 描述大气压容性射频放电的基本方程 34

2.2.2 以电流为输入参数的流体模型 38

2.2.3 以电压为输入参数的流体模型 40

2.2.4 以功率为输入参数的流体模型 42

2.2.5 粒子种类与反应集合的选择 43

2.3 放电物理特性的数值模拟 45

2.3.1 放电模式及其转化 45

2.3.2 频率效应与尺度效应 49

2.3.3 射频微等离子体的结构 51

2.3.4 脉冲调制射频放电等离子体 52

2.4 放电化学活性的数值模拟 56

2.4.1 主要活性粒子的演化特性 56

2.4.2 活性粒子产生的频率与尺度效应 60

2.4.3 脉冲调制对活性粒子的影响 62

2.5 小结 63

参考文献 64

第3章 纳秒脉冲放电粒子模拟（李永东刘纯亮） 68

3.1 引言 68

3.2 粒子模拟技术 70

3.2.1 粒子模拟的基本原理 70

3.2.2 纳秒脉冲放电物理过程的建模方法 77

3.3 模拟计算与分析 80

3.3.1 流注放电产生逃逸电子的粒子模拟 80

3.3.2 纳秒脉冲电晕放电粒子模拟 89

3.4 小结 95

参考文献 96

第4章 大气压介质阻挡放电中的分岔与混沌现象（戴栋） 99

4.1 引言 99

4.2 不对称周期一放电 102

4.2.1 实验装置与步骤 104

4.2.2 实验结果与分析 105

4.3 倍周期分岔及通往混沌路径 112

4.4 准周期态放电 116

4.5 李雅普诺夫指数计算及混沌现象的判定 119

4.5.1 李雅普诺夫指数 120

4.5.2 时间序列**李雅普诺夫指数的计算方法 121

4.5.3 小波分解 122

4.5.4 计算与分析 123

4.6 结论 127

参考文献 127

第5章 脉冲放电等离子体发射光谱诊断（杨德正王文春） 130

5.1 引言 130

5.2 国内外研究现状 132

5.3 针板电极结构纳秒脉冲放电等离子体发射光谱诊断 134

5.3.1 光谱诊断实验装置 134

5.3.2 放电图像及发射光谱 137

5.3.3 电压极性和脉冲峰值对等离子体发射光谱的影响 140

5.3.4 电晕放电发射光谱强度空间分布 141

5.4 板板电极结构大气压DBD等离子体发射光谱诊断 143

5.4.1 正弦交流驱动下He均匀放电发射光谱 143

5.4.2 大气压空气纳秒脉冲放电等离子体发射光谱 146

5.4.3 添加Ar、He及O2对氮气放电发射光谱的影响 147

5.5 等离子体温度测量与诊断 151

5.5.1 振动温度与转动温度诊断原理 151

5.5.2 电极间隙、脉冲峰值电压和脉冲宽度对振动温度和转动温度的影响 154

5.6 小结 157

参考文献 158

第二篇 放电及等离子体特性

第6章 大气压介质阻挡均匀放电（罗海云王新新） 163

6.1 DBD研究概况 163

6.1.1 引言 163

6.1.2 DBD的研究历史与现状 165

6.1.3 均匀放电的界定与必要条件 169

6.2 大气压惰性气体介质阻挡均匀放电特性 172

6.2.1 放电特性与放电属性 172

6.2.2 放电演化过程 175

6.2.3 放电光谱及彭宁电离 181

6.3 大气压氮气介质阻挡均匀放电 184

6.3.1 均匀放电的获得 184

6.3.2 放电属性 186

6.3.3 工作区间与击穿电压 187

6.4 大气压空气介质阻挡均匀放电 188

6.4.1 驻极体薄膜+丝网电极结构 188

6.4.2 使用陶瓷片作为介质材料 192

6.5 小结 195

参考文献 196

第7章 大气压下纳秒脉冲弥散放电（章程邵涛严萍） 200

7.1 引言 200

7.2 国内外研究进展 201

7.3 纳秒脉冲弥散放电特性研究 204

7.3.1 纳秒脉冲气体放电特性 204

7.3.2 弥散放电影响因素分析 207

7.3.3 弥散放电的维持电压范围 212

7.4 纳秒脉冲弥散放电的电特性分析 215

7.4.1 传导电流的计算 215

7.4.2 传导电流影响因素分析 219

7.5 纳秒脉冲弥散放电的机理探索 221

7.5.1 弥散放电与逃逸电子 221

7.5.2 弥散放电与粒子密度 224

7.5.3 弥散放电形成机理 226

7.6 小结 229

参考文献 230

第8章 表面介质阻挡放电流动控制（车学科聂万胜邵涛） 234

8.1 引言 234

8.1.1 技术原理 234

8.1.2 实验研究方法 237

8.1.3 数值模拟方法 238

8.2 表面介质阻挡放电流动控制机理 242

8.2.1 等离子体流动作用机理 242

8.2.2 等离子体体积力产生机理 243

8.3 临近空间纳秒脉冲放电等离子体 248

8.3.1 纳秒脉冲放电过程 248

8.3.2 高度对放电的影响 251

8.4 地面纳秒脉冲放电等离子体 256

8.4.1 施加电压、脉冲频率及电极参数对放电特性的影响 256

8.4.2 放电传输电荷及脉冲能量特性 259

8.5 地面亚微秒脉冲放电等离子体 262

8.5.1 诱导漩涡的产生过程 262

8.5.2 脉冲重复频率和数量对诱导漩涡的影响 266

8.6 小结 268

参考文献 269

第9章 大气压冷等离子体射流（江南曹则贤） 272

9.1 引言 272

9.2 等离子体射流的基本特性 276

9.2.1 实验装置 276

9.2.2 氦气石英管共轴DBD的基本电特性 277

9.2.3 电晕放电等离子体射流 280

9.2.4 电荷溢流现象 282

9.3 等离子体子弹传输特性 284

9.4 等离子体气流相互作用 289

9.5 氦气与氩气冷等离子体射流的比较 291

9.6 彭宁效应在冷等离子体射流中的作用 295

9.6.1 实验 296

9.6.2 讨论 299

9.7 小结 301

参考文献 302

第10章 等离子体高能合成射流（夏智勋罗振兵王林） 306

10.1 引言 306

10.2 设计思想 308

10.3 国内外研究进展 310

10.4 等离子体高能合成射流数值模拟 312

10.4.1 数值模拟方法 313

10.4.2 能量效率及工作特性 316

10.4.3 参数影响特性 320

10.5 等离子体高能合成射流实验 323

10.5.1 实验系统与方法 323

10.5.2 激励器放电特性 325

10.5.3 射流流场特性及参数影响规律 327

10.6 三电极等离子体高能合成射流激励器 334

10.6.1 激励器设计及工作过程 334

10.6.2 不同环境气压下放电特性 336

10.6.3 不同环境气压下流场特征 338

10.7 小结 340

参考文献 341

第11章 射频介质阻挡放电与脉冲射频等离子体（刘大伟） 345

11.1 引言 345

11.2 国内外研究现状 346

11.3 射频绝缘介质阻挡放电 348

11.3.1 电子加热机制 348

11.3.2 γ模式下的扩散放电模式 352

11.3.3 电特性及动态过程 356

11.3.4 射频介质阻挡放电同金属电极放电对比 360

11.3.5 射频介质阻挡放电的模拟计算 364

11.4 脉冲射频等离子体 368

11.4.1 脉冲调制射频介质阻挡辉光放电模式 368

11.4.2 脉冲放电模式转变和脉冲射频容性耦合等离子体O（5P1）产生机制 372

11.4.3 脉冲射频等离子体射流推进特性 377

11.5 小结 380

参考文献 381

第三篇 放电及等离子体应用

第12章 大气压放电等离子体在材料表面改性中的应用（方志 邵涛） 385

12.1 引言 385

12.2 等离子体材料表面改性的方法及原理 387

12.3 国内外研究进展 390

12.4 DBD表面亲水改性 392

12.4.1 丝状模式DBD改性 392

12.4.2 均匀模式DBD改性 395

12.4.3 功率密度对改性效果的影响 399

12.4.4 纳秒脉冲下丝状和均匀模式改性效果对比 402

12.5 DBD表面憎水性改性 404

12.5.1 提高玻璃表面憎水性 404

12.5.2 提高有机玻璃表面憎水性 408

12.6 等离子体改性机理探索 411

12.6.1 亲水性改性机理 411

12.6.2 憎水性改性机理 413

12.7 小结 414

参考文献 415

第13章 大气压放电等离子体在废水处理中的应用（李杰 商克峰 鲁娜 吴彦） 418

13.1 引言 418

13.2 液体放电等离子体过程 419

13.2.1 液体电击穿过程 419

13.2.2 液体电击穿机理 420

13.3 放电等离子体水处理研究进展 421

13.3.1 放电等离子体水处理物理与化学特性 421

13.3.2 放电等离子体水处理 424

13.4 几种放电等离子体水处理方法 425

13.4.1 水中多针板脉冲放电等离子体水处理 425

13.4.2 水中脉冲放电等离子体流注诱导TiO2提高水处理效果 427

13.4.3 气液联合脉冲放电等离子体水处理 432

13.4.4 介质阻挡型气相放电等离子体活性物质注入水处理 435

13.4.5 活性炭吸附等离子体氧化联合处理废水 437

13.5 小结 441

参考文献 442

第14章 大气压等离子体在医学中的应用（刘定新） 446

14.1 引言 446

14.2 发展历史 448

14.3 基本原理 450

14.3.1 等离子体细胞生物学

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**篇 放电及等离子体基础

　　大气压下的气体放电相较于低气压放电而言，有其独特之处，这主要体现在，在大气压条件下，气体中的碰撞非常频繁，带电粒子的平均自由程非常短，放电过程的演化比较剧烈，因此决定了大气压气体放电及等离子体有其独特性。

　　第1章介绍等离子体的一般性质，包括等离子体的基本参数、离子运动形式和规律，并对汤生理论和流注理论等气体放电基本理论作了回顾。

　　第2章以大气压射频放电等离子体为例，结合等离子体的流体描述方法，采用数值模拟的手段分析研究大气压射频放电模式及频率与尺度效应等，同时介绍射频放电等离子体化学活性的模拟和主要活性粒子演化特性。

　　第3章利用粒子模拟技术来模拟大气压瞬态放电过程，首先介绍粒子模拟的基本原理和纳秒脉冲气体放电的建模方法，然后给出流注放电初始过程、针一板结构纳秒脉冲电荤放电初始过程的模拟结果。

　　第4章指出大气压介质阻挡放电（DBD）系统本质上是一个非线性动力学系统，在一定的条件下会呈现丰富的非线性现象，如分岔和混沌；介绍大气压DBD中各种分岔和混沌现象的实验结果，并从非线性动力学的角度对其进行解释和分析。

　　第5章利用发射光谱技术测量纳秒脉冲DBD、正弦交流、电荤放电等等离子体光谱，研究等离子体中激发态物种光谱发射强度、活性物种相对浓度、振动温度和转动温度随外部参数的变化规律，并讨论等离子体中发生的主要物理化学过程。

　　第1章 等离子体基础和气体放电理论

　　欧阳吉庭 北京理工大学

　　大气压放电等离子体是一种高气压低温等离子体，产生方式包括直流放电、DBD、脉冲放电、射频放电、微波放电和电弧放电等。由于放电形式的不同，大气压等离子体的特性和放电过程也各不相同。但是作为导电气体的一种，放电等离子体都具有等离子体的基本共性，遵循气体放电的一般规律。本章介绍等离子体的一般性质（包括等离子体的基本参数、离子运动形式和规律），以及气体放电的一般理论（包括汤生理论和流注理论）。

　　1.1 引言

　　等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系。与固体、液体、气体一样，等离子体是物质的一种聚集状态。常规意义上的等离子体态是中性气体中产生了相当数量的电离。当气体温度升高到其粒子的热运动动能与气体的电离能可以比拟时，粒子之间通过碰撞就可以产生大量的电离过程。因此，等离子体也通常被理解为导电气体。并非只有完全电离的气体才是等离子体，但需要有足够高电离度的电离气体才具有等离子体性质。即，当体系的"电性"比"中性"更重要时，这一体系即可称为等离子体。对于处于热力学平衡态的系统，提高温度是获得等离子体态的**途径。按温度在物质聚集状态中由低向高的顺序，等离子体态是物质的第四态。

　　等离子体的基本粒子元是带正、负电荷的粒子，而不是其结合体；异类带电粒子之间是相互"自由"和"独立"的。等离子体粒子之间的相互作用力是长程的电磁力。原则上，彼此相距很远的带电粒子仍然感觉得到对方的存在。在相互作用的力程范围内存在着大量的粒子，这些粒子间会发生多体的、彼此自洽的相互作用，结果使得等离子体中粒子运动行为在很大程度上表现为集体的运动。存在"集体运动"是等离子体*重要的特点。由于等离子体的微观基本组元是带电粒子，一方面，电磁场支配着粒子的运动，另一方面，带电粒子运动又会产生电磁场，因而等离子体中粒子的运动与电磁场的运动紧密搞合，不可分割。

　　等离子体的产生方法很多，但*重要和*普遍的是气体放电法[1，2]。按气体气压高低，放电等离子体一般为低气压（<10Torr）、中等气压（10~100Torr）和高气压放电等离子体。按击穿模式，可分为辉光放电等离子体（包括汤生放电）和流注放电等离子体。

　　大气压放电等离子体是在约1atm下的气体环境中产生的放电等离子体。对于工业应用来说，大气压放电等离子体具有很多独特的优点。例如，不需要真空系统、工艺流程设计灵活等，因此大气压等离子体成为近年来等离子体领域的热点问题。*常见的大气压放电等离子体产生方式包括直流放电、DBD、射频放电、微波放电和脉冲放电等，其中通过不同的电极设计和模式选择，可以实现大气压等离子体射流。大气压等离子体放电模式与放电条件有关，既可以是辉光的，也可以是流注的。无论哪种模式，大气压放电的基本过程原理是相似的，都是基于汤生过程，从气体击穿发展到稳定放电的。

　　1.2 等离子体的一般性质

　　等离子体的状态主要取决于其带电粒子（包括正负离子和电子）的密度和温度，这也是等离子体的基本参量，其他性质和参量大多与等离子体密度和温度有关[3，4]。

　　1.2.1 离子密度和电离度

　　一般地，等离子体的基本成分除了正负带电粒子外还有中性粒子。设电子密度为ηe，正离子密度为ηi，在电中性条件下，ηe句ηi，称为等离子体密度。若未电离的中性粒子密度为N，则等离子体的电离度α为

　　α=ηe/（ηe+N）（1-1）

　　当α较大（大于0.1）时称为强电离等离子体。当α=1时则称为完全电离等离子体。低温等离子体的电离度α都比较小，一般小于0.01，此时α句ηeN。在热力学平衡条件下，电离与离子的复合并存且达到电离平衡，α仅与粒子种类、密度和温度相关。这时，电离度和电离条件满足萨哈（Saha）方程：

　　其中，为普朗克常数；k为玻尔兹曼常数；me为电子质量；为气体气压（Pa）；Vi为气体的电离电位（V）；T为电子温度（K）。由此可知，气体气压、电离电位越低，或电子温度越高，则电离度越大。萨哈方程（1-2）同时也给出了平衡态的粒子密度对温度的依赖关系。

　　1.2.2 电子温度和离子温度

　　从热力学的角度，温度是物质内部微观粒子的平均平动动能的量度。

　　其中，m是粒子质量；υ是均方根速度；k是玻尔兹曼常数。这种对应关系是确定的，因此经常将粒子的动能和温度等同。

　　等离子体中存在多种粒子，通常它们并不能达到统一的热力学平衡态，因此各种粒子有其自己的平衡温度。一般用Tg、Te和Ti表示中性粒子、电子和离子温度，其单位通常用电子伏特（eV）来表示，1eV相当于温度T=11600K。

　　等离子体的宏观温度取决于重粒子的温度。根据等离子体的温度，可将等离子体分成高温等离子体和低温等离子体。其中，低温等离子体又分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体两类。大气压放电等离子体是一种典型的低温等离子体。当TeTi时，称为热平衡态等离子体或热等离子体。严格意义的热等离子体在实际应用中或实验室难以达到，比较容易形成的是各种粒子组成接近平衡、温度近似相等的等离子体，称为局域热等离子体，一般温度为1×103~2×104K，可在大气压水平的高气压下产生。当Te>Ti时，称为非热或冷等离子体，其电子温度Te>104K，而离子温度Ti=300500K。在冷等离子体中，一方面电子具有足够高的能量使气体分子/原子激发、离解或电离，另一方面系统保持低温（接近于室温）。

　　1.2.3 等离子体的准电中性

　　宏观电中性是等离子体的基本特征，但这只在特定的尺度上成立。由于受内部粒子热运动的扰动或外部干扰，等离子体内局部可能出现电荷分离，电中性条件被破坏。偏离电中性的局部由于电荷间的库仑力的作用，使电中性得到恢复。由于偏离量，故称为"准电中性"。这种"偏离"和"恢复"在空间和时间的尺度有限，通常由德拜（Debye）长度和等离子体周期来表述。

　　1.德拜屏蔽和德拜长度

　　若扰动使等离子体内某处出现电量为q的电荷积累，由于该团电荷的静电场效应，其周围将吸引电子而排除正离子，结果出现带负电的"电子云"包围该"正电荷"。从远处看，电子云削弱了正电荷的作用，即它对远处带电粒子的库仑力，这种现象在等离子体物理中称为"德拜屏蔽"。

　　假定正电荷中心处于坐标原点，对空间电荷分布为p（r）的平衡态带电粒子系，空间距中心γ处的电势分布中（r）满足泊松（Poisson）方程

　　（1-4）

　　由于德拜屏蔽p（r）由r处的正、负电荷密度差决定，即

　　没有空间电荷积累时，电子和离子分布是均匀的，而且ηi0=ηe0=η。出现电荷积累后，ηi（r）和ηe（r）不再均匀。通常总是质量小的电子首先达到热平衡，ηe（r）服从麦克斯韦（Maxwell）分布，而质量大的离子仍在原来大致电中性的正电荷中心，这样

　　其中，是电子的电势能。对于等离子体，平均热运动动能远大于平均电势能，即kTe>e中。将式（1-6）做泰勒级数展开，并取二级近似，得到

　　由此得到

　　代入泊松方程，得

　　其中，具有长度量纲，称为德拜长度，可写成。

　　利用电势分布的球对称性，在球坐标中，考虑径向分布，泊松方程可写成

　　边界条件是：因此可得到电势的解为

　　这就是屏蔽库仑势。它是以电荷q为中心的真空库伦势乘以衰减因子，如图1.1所示。

　　由于衰减因子的作用，电势分布随着距电荷距离的增加迅速衰减。一般地，屏蔽库仑势的有效作用力程大致为德拜长度λD，即以λD为半径的球，称为"德拜球"。德拜球外的库仑势可以忽略。德拜长度的物理意义.

　　（1）等离子体对作用于它的电势具有屏蔽作用，屏蔽半径（或距离）为德拜长度；

　　（2）德拜长度是等离子体电中性条件成立的*小空间尺度，即从r>λD的范围来看，等离子体是电中性的；

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