發(fā)明

【資料簡介】

靜電研究是一個古老的新興學(xué)科。所謂古老是其被發(fā)現(xiàn)時(shí)代久遠(yuǎn)（早在公元前600年古希臘人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了靜電現(xiàn)象），而且對電的認(rèn)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(shù)的應(yīng)用是二十世紀(jì)才開始逐漸受到重視而蓬勃發(fā)展的。 
    靜電技術(shù)是一門邊緣的科學(xué)技術(shù)。可以說靜電無處不在，在一定的范圍內(nèi)它都或多或少的對相關(guān)研究領(lǐng)域有一定的影響。目前較為成熟的技術(shù)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(yuǎn)不止這些……。隨著工業(yè)水平的發(fā)展、人類認(rèn)識領(lǐng)域及認(rèn)識水平的擴(kuò)展、以及相關(guān)理論體系、相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(kuò)展。以前認(rèn)為所謂靜電就是靜止的電荷，而概念把高電壓、小電流的現(xiàn)象也歸結(jié)為靜電現(xiàn)象。再者以前認(rèn)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(xiàn)在由于測試手段的提高，對靜電放電現(xiàn)象的表述為高電壓、短時(shí)（微納秒級）脈沖強(qiáng)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(xiàn)今靜電理論及靜電應(yīng)用技術(shù)的前沿問題大致可分為以下幾個方面：  
1、強(qiáng)電離放電理論。2 脈沖靜電技術(shù)。3  電磁干擾。4  靜電生物效應(yīng)。 5 靜電放電模型的建立。 
一  強(qiáng)電離放電理論 
    強(qiáng)電離放電，尤其是對高氣壓非平衡等離子體的產(chǎn)生機(jī)理、參數(shù)診斷、非平衡度、理論模型及數(shù)值計(jì)算方法等的研究是各國學(xué)者都密切關(guān)注的問題。只有這些問題有了突破性的進(jìn)展，才能有效的開展應(yīng)用研究。形成這種選題的理論依據(jù)是外加電場可以向反應(yīng)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(dá)到一定的數(shù)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(yù)定的模型合成新分子和新物質(zhì)，使常規(guī)難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行或加速進(jìn)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(jìn)行化學(xué)發(fā)應(yīng)的能量，從而可以應(yīng)用于某些化學(xué)發(fā)應(yīng)及工業(yè)活動上（等離子滲氮提高材料強(qiáng)度等）。但目前由于此種反應(yīng)只能在低氣壓條件下進(jìn)行，由于設(shè)備原因，大面積工業(yè)應(yīng)用還不可能。由于這個原因=，促使不少科學(xué)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(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的應(yīng)用，首先了解放電的種類。當(dāng)前可用在工業(yè)規(guī)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(zhì)阻擋弱放電、介質(zhì)阻擋強(qiáng)放電。直流高壓電暈放電zui典型的應(yīng)用為靜電除塵技術(shù)；高壓脈沖電暈放電zui典型的應(yīng)用為脫硫脫硝應(yīng)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(zhì)阻擋強(qiáng)放電，在工業(yè)應(yīng)用科學(xué)研究領(lǐng)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(diǎn)。 
高氣壓非平衡等離子體化學(xué)應(yīng)用： 
1 納米材料的制取 
  工業(yè)化生產(chǎn)納米材料，可以制備優(yōu)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(xué)合成新物質(zhì)  如 CO2和H2合成CH4     N 2  和H2合成NH3 
3 新分子制取 
  能量達(dá)到30ev的電子可以把任何氣體離解成原子、激發(fā)態(tài)原子、原子離子和自由基。然后按一定工藝制成新產(chǎn)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(chǎn)生高濃度臭氧 
  可以使臭氧濃度從現(xiàn)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(zhì) 
  放電產(chǎn)生的自由基（—OH）將和有害物質(zhì)結(jié)合生成無害物質(zhì)。 
介質(zhì)阻擋強(qiáng)放電的工業(yè)前景非常廣闊。但目前在高氣壓下形成非等離子態(tài)還有一些技術(shù)上的問題。前面介紹的四種放電分類中，前三種已有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用或者說現(xiàn)實(shí)技術(shù)，而后一種也就是介質(zhì)阻擋強(qiáng)放電還在研究中?，F(xiàn)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(zhì)阻擋弱放電 1014     ≈5 
≥0.1M 介質(zhì)阻擋強(qiáng)放電 >1015   10－23 
表  一 
    對于這種高濃度氣體強(qiáng)放電的科學(xué)研究問題，在下面介紹脈沖時(shí)再進(jìn)一步介紹，它們有相似的研究方向。 
    而對于技術(shù)研究方向上，有幾點(diǎn)是值得注意的。一是制備強(qiáng)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(zhì)層。三是研究開發(fā)對放電現(xiàn)象觀測測量的儀器設(shè)備。四是前面多次提到的強(qiáng)電離放電后按一定的規(guī)定的方向進(jìn)行放電應(yīng)用的工藝。當(dāng)然三、四兩個問題超出了放電性質(zhì)的研究，但它也是這個學(xué)科所涉及的zui近的也是zui有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域。 
二 脈沖靜電技術(shù) 
    脈沖靜電技術(shù)是目前靜電理論應(yīng)用領(lǐng)域中較新的研究方向。在環(huán)境、生物等許多領(lǐng)域中都具有很好的應(yīng)用前景。目前對于脈沖放電產(chǎn)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(yīng)用。由于窄脈沖放電的特點(diǎn)造成了相應(yīng)的應(yīng)用。 
窄脈沖放電的特點(diǎn)： 
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(jié)省能量 
4 易于實(shí)現(xiàn)更大的瞬時(shí)功率 
5 可產(chǎn)生高能電子 
6 可形成非平衡等離子體 
7 可產(chǎn)生更多的活性離子 
8 使一般條件下難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行 
其應(yīng)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(yīng)（粉碎、殺菌等） 
6 材料表面改性 
在去除有害氣體應(yīng)用上，脈沖放電可以使兩極間的電流值達(dá)到100A/m，產(chǎn)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(shù)雖然在理論上和實(shí)驗(yàn)室階段已經(jīng)成熟，但是由于一些技術(shù)上的原因，也在對其大規(guī)模的應(yīng)用上產(chǎn)生制約。目前作為我國“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的脫硫應(yīng)用，其處理煙氣量也只能達(dá)=到20000NM3/h。產(chǎn)生制約發(fā)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(chǔ)研 
究和應(yīng)用技術(shù)兩個方面。 
        基礎(chǔ)研究方面： 
1 目前無法建立電場、電壓、電流等變量間定量關(guān)系，有必要建立脈沖電場，脈沖放電特性等的教學(xué)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(chǎn)生、電子的能量、時(shí)間空間的分布、自由基等活性粒子的種類、密度及時(shí)空分布。 
3 放電等離子體化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程 
4 脈沖放電非熱等離子體應(yīng)用的理論研究以及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 
應(yīng)用方面： 
  1  ns級開關(guān)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(xué)反應(yīng)的工藝措施 
三 電磁干擾 
    隨著電子微電子技術(shù)的發(fā)展，ESD（靜電放電）危害問題越來越嚴(yán)重。國外已經(jīng)對ESD電磁場進(jìn)行全面的研究。上世紀(jì)八十年代末國內(nèi)開始有人關(guān)心ESD的場效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)ESD產(chǎn)生的電磁干擾可以導(dǎo)致10米外的電腦死機(jī)甚至主板損壞。 
    要比較好的理解ESD產(chǎn)生的電磁場，的辦法是對其進(jìn)行時(shí)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(tǒng)。由于測試手段的限制，早期對ESD相關(guān)電磁場的實(shí)驗(yàn)研究于場幅度與放電電壓和觀測點(diǎn)距離的關(guān)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(diǎn)： 
1） 靜電放電是高電位、強(qiáng)電場、瞬時(shí)大電流的過程 
在放電類型中，諸如電暈放電的電流確實(shí)小，但多數(shù)的靜電放電過程為瞬時(shí)脈沖大電流（產(chǎn)生火花放電） 
2） 靜電放電會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射形成電磁脈沖 
近年來隨著靜電測試技術(shù)、測試儀器及測試手段的迅速發(fā)展，人們對ESD這一瞬態(tài)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(shí) 
產(chǎn)生雷電電磁脈沖相提并論。 
要求是科學(xué)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(qū)（加拿大、德國。瑞士等）ESD危害較為嚴(yán)重的國家開始的。 
加拿大渥太華大學(xué)電力工程學(xué)對ESD相關(guān)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(jìn)行ESD場測量核理論研究的學(xué)者，曾經(jīng)提 
出的ESD輻射場偶極子模型。 
柏林理工大學(xué)是西方研究ESD比較的大學(xué)。學(xué)者David Pommerenke 對ESD的放電電流與火花弧長的關(guān)系、放電電流接近速度的關(guān)系、不同型號的模擬器產(chǎn)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(tài)對藕合板上電磁場的影響等等進(jìn)行了系統(tǒng)的全面的研究。他認(rèn)為ESD相關(guān)測量數(shù)據(jù)資料并不豐富，以前人們所用的傳感器往往是沒有經(jīng)過標(biāo)定的，頻率和相位相應(yīng)不平坦，或者數(shù)據(jù)僅是在遠(yuǎn)場區(qū)得到的，而ESD 
主要是一種近場危害源上。David測量了從遠(yuǎn)場區(qū)到近場區(qū)不同距離的場，得到大量數(shù)據(jù)。從中他認(rèn)為在靜電放電時(shí)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(jié)論性的論斷。 
ESD作為一種復(fù)雜的電磁現(xiàn)象，由于影響因素太多，如環(huán)境濕度、材料性能、電極形狀以及放電時(shí)電極接近速度等諸因素，而且相關(guān)測試設(shè)備也尚處于進(jìn)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(chǔ)科角度看，首要的是建立理論模型。因?yàn)榻⒛Ｐ褪歉毡楦垦芯康幕A(chǔ)，是研制模擬設(shè)備和實(shí)驗(yàn)手段的主要依據(jù)。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(xiàn)今IEC標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)定中僅有電容（C）、電阻（R）兩項(xiàng)，但對于系統(tǒng)的研究需要考慮分布參數(shù)。 
2 ESD輻射場理論模型 
1） 長導(dǎo)體模型 
2） 球電極模型 
3） 偶極子模型 
四 靜電生物效應(yīng) 
靜電生物效應(yīng)的研究早期發(fā)源于日本。成果zui多的也是日本。我國在上世紀(jì)七、八十年代 
有多家研究機(jī)構(gòu)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(yīng)用上都沒有太大的進(jìn)展。從近期的國內(nèi)文獻(xiàn)看，雖然一些科研工作者仍然在這個領(lǐng)域做著努力，但都處于研究的觀察階段，沒有機(jī)理上的總結(jié)概括，更沒有理論上的升華。從觀察結(jié)果看，靜電場對植物產(chǎn)生、種子發(fā)芽、食品保鮮以及電磁負(fù)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(xiàng)生理代謝活性、促進(jìn)種子發(fā)芽率。但目前系統(tǒng)的研究不同的電場對于不同的種群的作用效果的系統(tǒng)論述還沒有人去做。再如人工負(fù)離子輸入潛艇可以大面積改善空氣質(zhì)量，使人體的紅細(xì)胞數(shù)、血紅蛋白含量、肺活量和心率都有所改善。但負(fù)離子的大小的不同作用以及負(fù)離子在人體內(nèi)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(yīng)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(guān)參數(shù) 
成熟度氣壓（Pa）放電種類電子濃度(cm-3)電子平均能量(ev) 
現(xiàn)在技術(shù)~0.1M直流高壓放電<106<1.5 
高壓脈沖電暈~107<3 
介質(zhì)阻擋放電~1014~5 
研究中>=0.1M介質(zhì)阻擋強(qiáng)放電>101510~23