發(fā)明

【資料簡(jiǎn)介】

靜電研究是一個(gè)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(duì)電的認(rèn)識(shí)、研究及理論的形成都是以靜電為起源的。所謂新興是說(shuō)靜電技術(shù)的應(yīng)用是二十世紀(jì)才開(kāi)始逐漸受到重視而蓬勃發(fā)展的。 
    靜電技術(shù)是一門(mén)邊緣的科學(xué)技術(shù)。可以說(shuō)靜電無(wú)處不在，在一定的范圍內(nèi)它都或多或少的對(duì)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(shuō)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(shí)領(lǐng)域及認(rèn)識(shí)水平的擴(kuò)展、以及相關(guān)理論體系、相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段的完善和提高，對(duì)靜電的研究也越來(lái)越深入，而且對(duì)靜電這個(gè)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(duì)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(cè)試手段的提高，對(duì)靜電放電現(xiàn)象的表述為高電壓、短時(shí)（微納秒級(jí)）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(duì)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(wèn)題大致可分為以下幾個(gè)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(duì)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(guó)學(xué)者都密切關(guān)注的問(wèn)題。只有這些問(wèn)題有了突破性的進(jìn)展，才能有效的開(kāi)展應(yīng)用研究。形成這種選題的理論依據(jù)是外加電場(chǎng)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(lì)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(dòng)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(gè)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(chǎng)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(wú)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(wèn)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(shuō)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。現(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(duì)于這種高濃度氣體強(qiáng)放電的科學(xué)研究問(wèn)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(duì)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(kāi)發(fā)對(duì)放電現(xiàn)象觀測(cè)測(cè)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(gè)問(wèn)題超出了放電性質(zhì)的研究，但它也是這個(gè)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(duì)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(jí)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(duì)其大規(guī)模的應(yīng)用上產(chǎn)生制約。目前作為我國(guó)“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(gè)方面。 
        基礎(chǔ)研究方面： 
1 目前無(wú)法建立電場(chǎng)、電壓、電流等變量間定量關(guān)系，有必要建立脈沖電場(chǎng)，脈沖放電特性等的教學(xué)模型。 
2 開(kāi)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(jí)開(kāi)關(guān)方式 
2 大功率ns級(jí)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(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。國(guó)外已經(jīng)對(duì)ESD電磁場(chǎng)進(jìn)行全面的研究。上世紀(jì)八十年代末國(guó)內(nèi)開(kāi)始有人關(guān)心ESD的場(chǎng)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(chǎng)，的辦法是對(duì)其進(jìn)行時(shí)域測(cè)量。由于涉及到快變化的寬頻信號(hào)，要求有寬頻帶的測(cè)量系統(tǒng)。由于測(cè)試手段的限制，早期對(duì)ESD相關(guān)電磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究于場(chǎng)幅度與放電電壓和觀測(cè)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(chǎng)、瞬時(shí)大電流的過(guò)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(guò)程為瞬時(shí)脈沖大電流（產(chǎn)生火花放電） 
2） 靜電放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射形成電磁脈沖 
近年來(lái)隨著靜電測(cè)試技術(shù)、測(cè)試儀器及測(cè)試手段的迅速發(fā)展，人們對(duì)ESD這一瞬態(tài)過(guò)程越來(lái)越清楚。作為近場(chǎng)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(duì)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(guó)。瑞士等）ESD危害較為嚴(yán)重的國(guó)家開(kāi)始的。 
加拿大渥太華大學(xué)電力工程學(xué)對(duì)ESD相關(guān)電磁場(chǎng)的研究工作開(kāi)展的較早，A•James kozlowski在1990年就用兩種天線測(cè)量ESD輻射電場(chǎng)。 
Perry •F •Wison是西方zui早全面進(jìn)行ESD場(chǎng)測(cè)量核理論研究的學(xué)者，曾經(jīng)提 
出的ESD輻射場(chǎng)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(duì)ESD的放電電流與火花弧長(zhǎng)的關(guān)系、放電電流接近速度的關(guān)系、不同型號(hào)的模擬器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的差異、接地電纜位置對(duì)ESD電磁場(chǎng)的影響以及放電槍的姿態(tài)對(duì)藕合板上電磁場(chǎng)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(cè)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(méi)有經(jīng)過(guò)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(chǎng)區(qū)得到的，而ESD 
主要是一種近場(chǎng)危害源上。David測(cè)量了從遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)到近場(chǎng)區(qū)不同距離的場(chǎng)，得到大量數(shù)據(jù)。從中他認(rèn)為在靜電放電時(shí)輻射場(chǎng)比靜電場(chǎng)所占的比例更大。放電弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，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(cè)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(guó)的研究也剛剛起步，研究的測(cè)試平臺(tái)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(duì)于系統(tǒng)的研究需要考慮分布參數(shù)。 
2 ESD輻射場(chǎng)理論模型 
1） 長(zhǎng)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(guó)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(méi)有太大的進(jìn)展。從近期的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)看，雖然一些科研工作者仍然在這個(gè)領(lǐng)域做著努力，但都處于研究的觀察階段，沒(méi)有機(jī)理上的總結(jié)概括，更沒(méi)有理論上的升華。從觀察結(jié)果看，靜電場(chǎng)對(duì)植物產(chǎn)生、種子發(fā)芽、食品保鮮以及電磁負(fù)離子對(duì)人體的作用都有較明顯的反映。 
比如適宜的靜電場(chǎng)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(chǎng)對(duì)于不同的種群的作用效果的系統(tǒng)論述還沒(méi)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(dòng)方式還沒(méi)有明確的解釋。 

從上面兩個(gè)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