發明

【資料簡介】

靜電研究是一個古老的新興學科。所謂古老是其被發現時代久遠（早在公元前600年古希臘人就已經發現了靜電現象），而且對電的認識、研究及理論的形成都是以靜電為起源的。所謂新興是說靜電技術的應用是二十世紀才開始逐漸受到重視而蓬勃發展的。 
    靜電技術是一門邊緣的科學技術。可以說靜電無處不在，在一定的范圍內它都或多或少的對相關研究領域有一定的影響。目前較為成熟的技術包括靜電除塵、靜電分選、靜電植絨、靜電噴涂等。但靜電的作用或者說其危害還遠不止這些……。隨著工業水平的發展、人類認識領域及認識水平的擴展、以及相關理論體系、相關實驗測試手段的完善和提高，對靜電的研究也越來越深入，而且對靜電這個概念的定義也有所擴展。以前認為所謂靜電就是靜止的電荷，而概念把高電壓、小電流的現象也歸結為靜電現象。再者以前認為靜電放電是高電壓、小電流的放電形式，其對外作用主要是由于較寬的放電頻譜引起的電磁干擾。而現在由于測試手段的提高，對靜電放電現象的表述為高電壓、短時（微納秒級）脈沖強電流及寬的放電頻譜。它的危害不只是電磁干擾，而且對放電物體有物理破壞作用。 
現今靜電理論及靜電應用技術的前沿問題大致可分為以下幾個方面：  
1、強電離放電理論。2 脈沖靜電技術。3  電磁干擾。4  靜電生物效應。 5 靜電放電模型的建立。 
一  強電離放電理論 
    強電離放電，尤其是對高氣壓非平衡等離子體的產生機理、參數診斷、非平衡度、理論模型及數值計算方法等的研究是各國學者都密切關注的問題。只有這些問題有了突破性的進展，才能有效的開展應用研究。形成這種選題的理論依據是外加電場可以向反應體系中傳遞能量，而這種傳遞是zui有效、的。一但傳遞的能量達到一定的數值（10－23ev）將激勵氣體分子分解、電離，分解附著成原子、原子離子、分子碎片和自由基（－OH）等，從而按預定的模型合成新分子和新物質，使常規難以進行的化學反應得以進行或加速進行。 
等離子體具有高能量密度的大能量，可以傳遞給氣體分子足以進行化學發應的能量，從而可以應用于某些化學發應及工業活動上（等離子滲氮提高材料強度等）。但目前由于此種反應只能在低氣壓條件下進行，由于設備原因，大面積工業應用還不可能。由于這個原因=，促使不少科學家探索如何在常溫常壓下采用非常的工藝措施使電子從外加電場中獲取高能量。 
    談到氣體放電的工業生產和科學研究的應用，首先了解放電的種類。當前可用在工業規模的氣體放電分為直流高壓電暈放電、高壓脈沖電暈放電、介質阻擋弱放電、介質阻擋強放電。直流高壓電暈放電zui典型的應用為靜電除塵技術；高壓脈沖電暈放電zui典型的應用為脫硫脫硝應用；而只有放電后電子濃度、電子平均能量大于1015/cm3  10ev的介質阻擋強放電，在工業應用科學研究領域才有更廣闊的前景。因此也就成為了科研工作者的研究新焦點。 
高氣壓非平衡等離子體化學應用： 
1 納米材料的制取 
  工業化生產納米材料，可以制備優異的隱身材料、光吸收材料、紅外反射材料、納米催化材料、超微傳感器和有效助燃劑等。 
2 高濃度非平衡等離子體化學合成新物質  如 CO2和H2合成CH4     N 2  和H2合成NH3 
3 新分子制取 
  能量達到30ev的電子可以把任何氣體離解成原子、激發態原子、原子離子和自由基。然后按一定工藝制成新產品。如具有巨大爆炸能力的N5。 
4 高氣壓下等離子體材料表面改性 
5 產生高濃度臭氧 
  可以使臭氧濃度從現在的40g/nm3提高到240g/nm3 
6 煙氣脫硫脫硝新方法 
7 分解有害物質 
  放電產生的自由基（—OH）將和有害物質結合生成無害物質。 
介質阻擋強放電的工業前景非常廣闊。但目前在高氣壓下形成非等離子態還有一些技術上的問題。前面介紹的四種放電分類中，前三種已有現實應用或者說現實技術，而后一種也就是介質阻擋強放電還在研究中。現在從圖表一中看一下下四種放電的比較： 
氣壓(Pa) 放電類型 電子濃度cm－3 電子平均能量ev 
0.1M 直流高壓電暈放電 <106   <1.5 
0.1M 高壓脈沖電暈放電 107   <3 
0.1M 介質阻擋弱放電 1014     ≈5 
≥0.1M 介質阻擋強放電 >1015   10－23 
表  一 
    對于這種高濃度氣體強放電的科學研究問題，在下面介紹脈沖時再進一步介紹，它們有相似的研究方向。 
    而對于技術研究方向上，有幾點是值得注意的。一是制備強放電的高壓高能供電電源。二是制備均勻的超薄的放電極間的電介質層。三是研究開發對放電現象觀測測量的儀器設備。四是前面多次提到的強電離放電后按一定的規定的方向進行放電應用的工藝。當然三、四兩個問題超出了放電性質的研究，但它也是這個學科所涉及的zui近的也是zui有價值的應用領域。 
二 脈沖靜電技術 
    脈沖靜電技術是目前靜電理論應用領域中較新的研究方向。在環境、生物等許多領域中都具有很好的應用前景。目前對于脈沖放電產生的非熱（非平衡）等離子體的研究較多的是ns級窄脈沖放電的應用。由于窄脈沖放電的特點造成了相應的應用。 
窄脈沖放電的特點： 
1 可以較大幅度提高火化放電電壓 
2 使放電電流密度分布均勻 
3 可以節省能量 
4 易于實現更大的瞬時功率 
5 可產生高能電子 
6 可形成非平衡等離子體 
7 可產生更多的活性離子 
8 使一般條件下難以進行的化學反應得以進行 
其應用為： 
1 有害氣體污染物（SO2和NOX）的去除 
2 粉塵控制 
3 水處理 
4 臭氧生成 
5 液電效應（粉碎、殺菌等） 
6 材料表面改性 
在去除有害氣體應用上，脈沖放電可以使兩極間的電流值達到100A/m，產生峰值107/cm3的電子濃度。因此比直流高壓放電具有更好的除污作用。目前脈沖放電脫硫脫硝技術雖然在理論上和實驗室階段已經成熟，但是由于一些技術上的原因，也在對其大規模的應用上產生制約。目前作為我國“九五”重點科技攻關項目的脫硫應用，其處理煙氣量也只能達=到20000NM3/h。產生制約發展的原因也正是我們今后所要研究的課題方向，它包括基礎研 
究和應用技術兩個方面。 
        基礎研究方面： 
1 目前無法建立電場、電壓、電流等變量間定量關系，有必要建立脈沖電場，脈沖放電特性等的教學模型。 
2 開展等離子體診斷研究方面的工作。以定量確定脈沖放電非等離子體的產生、電子的能量、時間空間的分布、自由基等活性粒子的種類、密度及時空分布。 
3 放電等離子體化學反應動力學過程 
4 脈沖放電非熱等離子體應用的理論研究以及進行優化設計。 
應用方面： 
  1  ns級開關方式 
2 大功率ns級脈沖高壓電源 
3 去除有害氣體及其它化學反應的工藝措施 
三 電磁干擾 
    隨著電子微電子技術的發展，ESD（靜電放電）危害問題越來越嚴重。國外已經對ESD電磁場進行全面的研究。上世紀八十年代末國內開始有人關心ESD的場效應，在實驗中發現ESD產生的電磁干擾可以導致10米外的電腦死機甚至主板損壞。 
    要比較好的理解ESD產生的電磁場，的辦法是對其進行時域測量。由于涉及到快變化的寬頻信號，要求有寬頻帶的測量系統。由于測試手段的限制，早期對ESD相關電磁場的實驗研究于場幅度與放電電壓和觀測點距離的關系以及頻譜分布等定性分析。 
首先介紹一下靜電放電的特點： 
1） 靜電放電是高電位、強電場、瞬時大電流的過程 
在放電類型中，諸如電暈放電的電流確實小，但多數的靜電放電過程為瞬時脈沖大電流（產生火花放電） 
2） 靜電放電會產生強烈的電磁輻射形成電磁脈沖 
近年來隨著靜電測試技術、測試儀器及測試手段的迅速發展，人們對ESD這一瞬態過程越來越清楚。作為近場危害源，許多人已把之與高空核爆炸形成的核電磁脈沖及雷電放電時 
產生雷電電磁脈沖相提并論。 
要求是科學研究的前提。因此，對于放電電磁的研究也是在西方較為寒冷地區（加拿大、德國。瑞士等）ESD危害較為嚴重的國家開始的。 
加拿大渥太華大學電力工程學對ESD相關電磁場的研究工作開展的較早，A•James kozlowski在1990年就用兩種天線測量ESD輻射電場。 
Perry •F •Wison是西方zui早全面進行ESD場測量核理論研究的學者，曾經提 
出的ESD輻射場偶極子模型。 
柏林理工大學是西方研究ESD比較的大學。學者David Pommerenke 對ESD的放電電流與火花弧長的關系、放電電流接近速度的關系、不同型號的模擬器產生的電磁場的差異、接地電纜位置對ESD電磁場的影響以及放電槍的姿態對藕合板上電磁場的影響等等進行了系統的全面的研究。他認為ESD相關測量數據資料并不豐富，以前人們所用的傳感器往往是沒有經過標定的，頻率和相位相應不平坦，或者數據僅是在遠場區得到的，而ESD 
主要是一種近場危害源上。David測量了從遠場區到近場區不同距離的場，得到大量數據。從中他認為在靜電放電時輻射場比靜電場所占的比例更大。放電弧長越長，峰值隨距離衰減越快等一種結論性的論斷。 
ESD作為一種復雜的電磁現象，由于影響因素太多，如環境濕度、材料性能、電極形狀以及放電時電極接近速度等諸因素，而且相關測試設備也尚處于進一步研制和完善中，所以研究的難度和工作量比較大。目前外國的研究也剛剛起步，研究的測試平臺和研究方法均處于探索階段。 
今后的研究方向，從基礎科角度看，首要的是建立理論模型。因為建立模型是更普遍更定量研究的基礎，是研制模擬設備和實驗手段的主要依據。在建立模型的分類上，可以有以下兩種： 
1 ESD模型――靜電放電電源的等效電路模型 
 現今IEC標準等規定中僅有電容（C）、電阻（R）兩項，但對于系統的研究需要考慮分布參數。 
2 ESD輻射場理論模型 
1） 長導體模型 
2） 球電極模型 
3） 偶極子模型 
四 靜電生物效應 
靜電生物效應的研究早期發源于日本。成果zui多的也是日本。我國在上世紀七、八十年代 
有多家研究機構致力于該方向上的探討。但由于成果不大，至今在理論上和應用上都沒有太大的進展。從近期的國內文獻看，雖然一些科研工作者仍然在這個領域做著努力，但都處于研究的觀察階段，沒有機理上的總結概括，更沒有理論上的升華。從觀察結果看，靜電場對植物產生、種子發芽、食品保鮮以及電磁負離子對人體的作用都有較明顯的反映。 
比如適宜的靜電場作用可以增加種子各項生理代謝活性、促進種子發芽率。但目前系統的研究不同的電場對于不同的種群的作用效果的系統論述還沒有人去做。再如人工負離子輸入潛艇可以大面積改善空氣質量，使人體的紅細胞數、血紅蛋白含量、肺活量和心率都有所改善。但負離子的大小的不同作用以及負離子在人體內的活動方式還沒有明確的解釋。 

從上面兩個例證可以看出靜電生物效應是一塊廣闊的研究天地，也是較為艱辛的研究歷程 

高氣壓氣體放電種類及其相關參數 
成熟度氣壓（Pa）放電種類電子濃度(cm-3)電子平均能量(ev) 
現在技術~0.1M直流高壓放電<106<1.5 
高壓脈沖電暈~107<3 
介質阻擋放電~1014~5 
研究中>=0.1M介質阻擋強放電>101510~23