近日，西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湯潔研究員課題組在低溫等離子體器件研發(fā)方面取得突破性研究進(jìn)展，該研究成果以“A highly cost-efficient large-scale uniform laminar plasma jet array enhanced by V–I characteristic modulation in a non-self-sustained atmospheric discharge”為題，在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)綜合性學(xué)術(shù)期刊Advanced Science《尖端科學(xué)》（IF: 15.8 @2018，SCI一區(qū)）。本研究成果是我所首次以第一單位發(fā)表影響因子大于15的高水平研究性論文，標(biāo)志著我所在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域取得的重要突破，并加快我所在等離子體學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用步伐。

低溫等離子體在生物醫(yī)學(xué)、材料制備、薄膜沉積、納米顆粒制造等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。近幾十年來(lái)，在低溫等離子體技術(shù)方面，為了提高等離子體射流工作效率，人們一直致力于研發(fā)大面積均勻彌散等離子體射流。等離子體陣列是一種常見(jiàn)的方法，比如一維線形梳狀等離子體射流陣列、二維蜂窩等離子體射流陣列，以及二維方形點(diǎn)陣等離子體射流等。在絕大多數(shù)情況下，這些陣列放電單元采用介質(zhì)阻擋放電（DBD）結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的等離子體射流截面尺寸局限于平方毫米量級(jí)。由于在各放電單元之間設(shè)置了電極和介質(zhì)阻擋層，射流之間的間距達(dá)到幾毫米甚至幾十毫米。這種結(jié)構(gòu)特征在很大程度上降低了等離子體射流的均勻性，極易導(dǎo)致樣品表面處理不均或不全，出現(xiàn)遺漏工誤，從而降低等離子體射流的工作效率和工作質(zhì)量。另外，以廉價(jià)的氬氣作為工作氣體，在類似于DBD放電的結(jié)構(gòu)中，極易形成細(xì)絲，阻礙均勻彌散等離子體的形成。為了獲得穩(wěn)定彌散的等離子體，上述陣列裝置常采用昂貴的氦氣作為工作氣體，在很大程度上增加了運(yùn)行成本。以氬氣作為工作氣體，采用直流輝光放電獲得彌散等離子體是一種行之有效的方法。然而直流輝光放電會(huì)在限流電阻和放電空間產(chǎn)生大量的焦耳熱，致使能量大幅損耗，并降低能量使用效率。因而，低成本、低功耗、大面積、均勻彌散等離子體射流的研發(fā)，一直是擺在人們面前懸而未決的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。

針對(duì)上述科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，湯潔研究員課題組提出了一種伏安特性調(diào)制增強(qiáng)氣體放電理論及方法，并基于這一理論或方法，突破傳統(tǒng)等離子體射流體積尺寸小，均勻性差，工作效率低的局限，設(shè)計(jì)研發(fā)出一種大氣常壓介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型直流交替電極低溫等離子體射流陣列。在該項(xiàng)工作中，首次提出并利用直流輝光放電自身的伏安特性來(lái)增強(qiáng)等離子體射流的體積、化學(xué)活性，以及工作效率。其關(guān)鍵點(diǎn)在于：

1）依據(jù)伏安特性調(diào)制理論，在非自持放電條件下，采用并聯(lián)的方式，增加放電截面面積，降低維持電壓，成功實(shí)現(xiàn)從亞輝光到輝光放電模式的轉(zhuǎn)變，達(dá)到放電增強(qiáng)的目的；

2）采用柱面圓弧電極，優(yōu)化電場(chǎng)分布，降低各單元之間的電場(chǎng)差異，實(shí)現(xiàn)等離子體射流陣列持續(xù)穩(wěn)定放電；

3）放電回路采用并聯(lián)嵌套設(shè)計(jì)方式，以及正負(fù)電極空間交替布置策略，增強(qiáng)等離子體均勻性。

基于上述關(guān)鍵性技術(shù)，解決了在直流輝光放電中同時(shí)獲得低成本、低功耗、大面積、均勻彌散等離子體射流的瓶頸問(wèn)題。結(jié)果表明，等離子體射流寬度從原有的15 mm增加到90 mm，等離子體射流的均勻性從30%的常規(guī)水平提升到97%；通過(guò)伏安調(diào)制法，實(shí)現(xiàn)了在放電功率降低到原有65%的情況下，等離子體射流長(zhǎng)度增加了近4倍的效能。該項(xiàng)研究成果將為低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的推廣起到重要的促進(jìn)作用。

該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院西部之光青年學(xué)者（A）、中科院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目的大力支持。（瞬態(tài)室  供稿）

【相關(guān)閱讀】

近日，西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湯潔研究員課題組在低溫等離子體器件研發(fā)方面取得突破性研究進(jìn)展，在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)綜合性學(xué)術(shù)期刊《尖端科學(xué)》。本研究成果是該所首次以第一單位發(fā)表影響因子大于15的高水平研究性論文，標(biāo)志著該所在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域取得的重要突破，并加快該所在等離子體學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用步伐。