低温等离子体在臭氧制备、材料表面处理、流体控制、杀菌消毒等领域有广阔的应用前景。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)是大气压条件下产生大体积低温等离子体的一种有效手段。然而,大气压条件下,DBD容易形成丝状放电,导致放电分布不均匀,这限制了一些工业应用。近十年来,大气压均匀DBD成了研究热点。目前研究的大气压均匀DBD主要是指不存在微放电的辉光和汤森放电,这种放电通常要求单一气体。从工业应用角度来讲,即使存在微放电,只要在一定时间内,微放电能均匀的分布在材料表面,也能够达到比较好的处理效果。因此,改善微放电的空间分布形成长时间尺度均匀放电,具有很大的工业应用价值。论文基于本实验室前期研究,通过提出微放电叠加模型论证了放电图像灰度标准差能够定量反映长时间尺度放电均匀性的变化,灰度标准差越小,放电越均匀。为长时间尺度放电均匀性评价打下理论基础。实验发现了长时间尺度内DBD存在暂态过程的现象,即随着放电时间增加,放电图像的灰度标准差会逐渐减小,最后达到稳定。由电极静止不同时刻放电图像灰度曲线可知,暂态过程初始态时放电容易形成比较强的放电细丝,而随着时间增加,达到稳定态时,放电细丝强度逐渐减弱并发生融合,从放电图像上仍能观察到一些‘簇状’放电。出现暂态过程的原因可能是随着放电时间增加,积累了大量热量,加速了空气流动,从而增加放电空间残留物和壁电荷的扩展和相互作用,使种子电子分布更均匀。研制了一种新型旋转电极DBD装置,实现了长时间尺度内较为均匀的放电。实验结果显示旋转电极的暂态过程比静止电极的暂态过程更快结束,放电图像的灰度标准差也更小。放电图像灰度标准差随转速增加而减小,当电极转速超过3000rpm时,灰度标准差稳定在4左右,接近大气压氦气中灰度标准差2。拍摄了4000rpm不同电压、频率和间隙放电暂态过程的放电图像,结果表明电压、频率和间隙对放电均匀性影响很小。这说明在转速超过3000rpm时,可以实现长时间尺度均匀放电。提出了电极旋转形成长时间尺度均匀放电的机制。在暂态过程初始态,半个周期内放电图像说明放电空间残留物随气流流动为后续放电提供种子电子可以有效改善微放电时空位置分布,形成带状放电轨迹。流场仿真结果显示带状轨迹长度与气流流过距离吻合。微放电空间位置随时间变化可以减小灰度畸变,提高长时间尺度放电均匀性。在稳定态时,放电变糊,放电分布受转速影响不明显。这与微放电本身结构和分布有很大关系。通过ICCD相机拍摄了初始态微秒放电图像和稳定态纳秒放电图像,研究了微放电及分布之间的差异。结果显示在稳定态时,单个微放电强度变弱而且微放电之间相互融合,这是稳定态放电均匀性提高的重要原因。研究了丝网和包膜电极形成的空间周期边界在旋转条件下对放电分布和均匀性的影响。结果表明包膜和丝网旋转电极可以更有效改善放电分布,当电极转速为1000rpm时就可以实现同等水平的均匀放电,进一步增加转速对放电均匀性影响不大。在转速达到1000rpm时,电压、频率和间隙变化对放电均匀性影响不大。而且丝网电极可以在比较低的电压下,得到强度更强的放电。将旋转电极DBD装置用于臭氧制备,在电压或流量较低时,电极旋转可以提高臭氧浓度和产率。这主要是由于电极旋转可以改变气流流向,有利于增加气流与放电之间接触时间和放电均匀性,从而提高臭氧浓度和产率。其中,电压、频率和流量之间有一个最佳配合。增加电压和频率虽然可以有效提高臭氧浓度,但电压和频率过大,会降低臭氧产率。流速对产额和产率有显著影响,但流速过大会降低臭氧浓度。在保证安全运行条件下,选择高气体流量有助于增加产额和产率。