文章简介：现代静电技术应用与发展方向
静电研究是一个古老的新兴学科。所谓古老是其被发现时代久远（早在公元前600年古希腊人就已经发现了静电现象），而且对电的认识、研究及理论的形成都是以静电为起源的。所谓新兴是说静电技术的应用是二十世纪才开始逐渐受到重视而蓬勃发展的。
静电技术是一门边缘的科学技术。可以说静电无处不在，在一定的范围内它都或多或少的对相关研究领域有一定的影响。目前较为成熟的技术包括静电除尘、静电分选、静电植绒、静电喷涂等。但静电的作用或者说其危害还远不止这些……。随着工业水平的发展、人类认识领域及认识水平的扩展、以及相关理论体系、相关实验测试手段的完善和提高，对静电的研究也越来越深入，而且对静电这个概念的定义也有所扩展。以前认为所谓静电就是静止的电荷，而概念把高电压、小电流的现象也归结为静电现象。再者以前认为静电放电是高电压、小电流的放电形式，其对外作用主要是由于较宽的放电频谱引起的电磁干扰。而现在由于测试手段的提高，对静电放电现象的表述为高电压、短时（微纳秒级）脉冲强电流及宽的放电频谱。它的危害不只是电磁干扰，而且对放电物体有物理破坏作用。
现今静电理论及静电应用技术的前沿问题大致可分为以下几个方面：
1、强电离放电理论。2 脉冲静电技术。3 电磁干扰。4 静电生物效应。 5 静电放电模型的建立。
一 强电离放电理论
强电离放电，尤其是对高气压非平衡等离子体的产生机理、参数诊断、非平衡度、理论模型及数值计算方法等的研究是各国学者都密切关注的问题。只有这些问题有了突破性的进展，才能有效的开展应用研究。形成这种选题的理论依据是外加电场可以向反应体系中传递能量，而这种传递是最有效、最经济的。一但传递的能量达到一定的数值（10－23ev）将激励气体分子分解、电离，分解附着成原子、原子离子、分子碎片和自由基（－OH）等，从而按预定的模型合成新分子和新物质，使常规难以进行的化学反应得以进行或加速进行。
等离子体具有高能量密度的大能量，可以传递给气体分子足以进行化学发应的能量，从而可以应用于某些化学发应及工业活动上（等离子渗氮提高材料强度等）。但目前由于此种反应只能在低气压条件下进行，由于设备原因，大面积工业应用还不可能。由于这个原因=，促使不少科学家探索如何在常温常压下采用非常的极端工艺措施使电子从外加电场中获取高能量。
谈到气体放电的工业生产和科学研究的应用，首先了解放电的种类。当前可用在工业规模的气体放电分为直流高压电晕放电、高压脉冲电晕放电、介质阻挡弱放电、介质阻挡强放电。直流高压电晕放电最典型的应用为静电除尘技术；高压脉冲电晕放电最典型的应用为脱硫脱硝应用；而只有放电后电子浓度、电子平均能量大于1015/cm3 10ev的介质阻挡强放电，在工业应用科学研究领域才有更广阔的前景。因此也就成为了科研工作者的研究新焦点。
高气压非平衡等离子体化学应用：
1 纳米材料的制取
工业化生产纳米材料，可以制备优异的隐身材料、光吸收材料、红外反射材料、纳米催化材料、超微传感器和有效助燃剂等。
2 高浓度非平衡等离子体化学合成新物质 如 CO2和H2合成CH4 N 2 和H2合成NH3
3 新分子制取
能量达到30ev的电子可以把任何气体离解成原子、激发态原子、原子离子和自由基。然后按一定工艺制成新产品。如具有巨大爆炸能力的N5。
4 高气压下等离子体材料表面改性
5 产生高浓度臭氧
可以使臭氧浓度从现在的40g/nm3提高到240g/nm3
6 烟气脱硫脱硝新方法
7 分解有害物质
放电产生的自由基（—OH）将和有害物质结合生成无害物质。
介质阻挡强放电的工业前景非常广阔。但目前在高气压下形成非等离子态还有一些技术上的问题。前面介绍的四种放电分类中，前三种已有现实应用或者说现实技术，而后一种也就是介质阻挡强放电还在研究中。现在从图表一中看一下下四种放电的比较：
气压(Pa) 放电类型 电子浓度cm－3 电子平均能量ev
0.1M 直流高压电晕放电 <106 <1.5
0.1M 高压脉冲电晕放电 107 <3
0.1M 介质阻挡弱放电 1014 ≈5
≥0.1M 介质阻挡强放电 >1015 10－23
表 一
对于这种高浓度气体强放电的科学研究问题，在下面介绍脉冲时再进一步介绍，它们有相似的研究方向。
而对于技术研究方向上，有几点是值得注意的。一是制备强放电的高压高能供电电源。二是制备均匀的超薄的放电极间的电介质层。三是研究开发对放电现象观测测量的仪器设备。四是前面多次提到的强电离放电后按一定的规定的方向进行放电应用的工艺。当然三、四两个问题超出了放电性质的研究，但它也是这个学科所涉及的最近的也是最有价值的应用领域。
二 脉冲静电技术
脉冲静电技术是目前静电理论应用领域中较新的研究方向。在环境、生物等许多领域中都具有很好的应用前景。目前对于脉冲放电产生的非热（非平衡）等离子体的研究较多的是ns级窄脉冲放电的应用。由于窄脉冲放电的特点造成了相应的应用。
窄脉冲放电的特点：
1 可以较大幅度提高火化放电电压
2 使放电电流密度分布均匀
3 可以节省能量
4 易于实现更大的瞬时功率
5 可产生高能电子
6 可形成非平衡等离子体
7 可产生更多的活性离子
8 使一般条件下难以进行的化学反应得以进行
其应用为：
1 有害气体污染物（SO2和NOX）的去除
2 粉尘控制
3 水处理
4 臭氧生成
5 液电效应（粉碎、杀菌等）
6 材料表面改性
在去除有害气体应用上，脉冲放电可以使两极间的电流值达到100A/m，产生峰值107/cm3的电子浓度。因此比直流高压放电具有更好的除污作用。目前脉冲放电脱硫脱硝技术虽然在理论上和实验室阶段已经成熟，但是由于一些技术上的原因，也在对其大规模的应用上产生制约。目前作为我国“九五”重点科技攻关项目的脱硫应用，其处理烟气量也只能达=到20000NM3/h。产生制约发展的原因也正是我们今后所要研究的课题方向，它包括基础研
究和应用技术两个方面。
基础研究方面：
1 目前无法建立电场、电压、电流等变量间定量关系，有必要建立脉冲电场，脉冲放电特性等的教学模型。
2 开展等离子体诊断研究方面的工作。以定量确定脉冲放电非等离子体的产生、电子的能量、时间空间的分布、自由基等活性粒子的种类、密度及时空分布。
3 放电等离子体化学反应动力学过程
4 脉冲放电非热等离子体应用的理论研究以及进行优化设计。
应用方面：
1 ns级开关方式
2 大功率ns级脉冲高压电源
3 去除有害气体及其它化学反应的工艺措施
三 电磁干扰
随着电子微电子技术的发展，ESD（静电放电）危害问题越来越严重。国外已经对ESD电磁场进行全面的研究。上世纪八十年代末国内开始有人关心ESD的场效应，在实验中发现ESD产生的电磁干扰可以导致10米外的电脑死机甚至主板损坏。
要比较好的理解ESD产生的电磁场，最好的办法是对其进行时域测量。由于涉及到快变化的宽频信号，要求有宽频带的测量系统。由于测试手段的限制，早期对ESD相关电磁场的实验研究仅限于场幅度与放电电压和观测点距离的关系以及频谱分布等定性分析。
首先介绍一下静电放电的特点：
1） 静电放电是高电位、强电场、瞬时大电流的过程
在放电类型中，诸如电晕放电的电流确实小，但多数的静电放电过程为瞬时脉冲大电流（产生火花放电）
2） 静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲
近年来随着静电测试技术、测试仪器及测试手段的迅速发展，人们对ESD这一瞬态过程越来越清楚。作为近场危害源，许多人已把之与高空核爆炸形成的核电磁脉冲及雷电放电时
产生雷电电磁脉冲相提并论。
要求是科学研究的前提。因此，对于放电电磁的研究也是在西方较为寒冷地区（加拿大、德国。瑞士等）ESD危害较为严重的国家开始的。
加拿大渥太华大学电力工程学对ESD相关电磁场的研究工作开展的较早，A•James kozlowski在1990年就用两种天线测量ESD辐射电场。
Perry •F •Wison是西方最早全面进行ESD场测量核理论研究的学者，曾经提
出著名的ESD辐射场偶极子模型。
柏林理工大学是西方研究ESD比较权威的大学。著名学者David Pommerenke 对ESD的放电电流与火花弧长的关系、放电电流接近速度的关系、不同型号的模拟器产生的电磁场的差异、接地电缆位置对ESD电磁场的影响以及放电枪的姿态对藕合板上电磁场的影响等等进行了系统的全面的研究。他认为ESD相关测量数据资料并不丰富，以前人们所用的传感器往往是没有经过标定的，频率和相位相应不平坦，或者数据仅是在远场区得到的，而ESD
主要是一种近场危害源上。David测量了从远场区到近场区不同距离的场，得到大量数据。从中他认为在静电放电时辐射场比静电场所占的比例更大。放电弧长越长，峰值随距离衰减越快等一种结论性的论断。
ESD作为一种复杂的电磁现象，由于影响因素太多，如环境湿度、材料性能、电极形状以及放电时电极接近速度等诸因素，而且相关测试设备也尚处于进一步研制和完善中，所以研究的难度和工作量比较大。目前外国的研究也刚刚起步，研究的测试平台和研究方法均处于探索阶段。
今后的研究方向，从基础科角度看，首要的是建立理论模型。因为建立模型是更普遍更定量研究的基础，是研制模拟设备和实验手段的主要依据。在建立模型的分类上，可以有以下两种：
1 ESD模型??静电放电电源的等效电路模型
现今IEC标准等规定中仅有电容（C）、电阻（R）两项，但对于系统的研究需要考虑分布参数。
2 ESD辐射场理论模型
1） 长导体模型
2） 球电极模型
3） 偶极子模型
四 静电生物效应
静电生物效应的研究早期发源于日本。成果最多的也是日本。我国在上世纪七、八十年代
有多家研究机构致力于该方向上的探讨。但由于成果不大，至今在理论上和应用上都没有太大的进展。从近期的国内文献看，虽然一些科研工作者仍然在这个领域做着努力，但都处于研究的观察阶段，没有机理上的总结概括，更没有理论上的升华。从观察结果看，静电场对植物产生、种子发芽、食品保鲜以及电磁负离子对人体的作用都有较明显的反映。
比如适宜的静电场作用可以增加种子各项生理代谢活性、促进种子发芽率。但目前系统的研究不同的电场对于不同的种群的作用效果的系统论述还没有人去做。再如人工负离子输入潜艇可以大面积改善空气质量，使人体的红细胞数、血红蛋白含量、肺活量和心率都有所改善。但负离子的大小的不同作用以及负离子在人体内的活动方式还没有明确的解释。
从上面两个例证可以看出静电生物效应是一块广阔的研究天地，也是较为艰辛的研究历程
高气压气体放电种类及其相关参数
成熟度气压（Pa）放电种类电子浓度(cm-3)电子平均能量(ev)
现在技术~0.1M直流高压放电<106<1.5
高压脉冲电晕~107<3
介质阻挡放电~1014~5
研究中>=0.1M介质阻挡强放电>101510~23
责任编辑：JJSKT
