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氣體放電是處于高壓電場的氣體電離產生電子及帶電粒子,此方法是產生等離子體最方便的方式,而氣體放電產生等離子體的參數又與其放電方式有著直接的聯系。當氣體被完全電離時,產生的等離子體的溫度較高;而部分電離時,由于電子溫度與重粒子溫度相差較大,因此其溫度較低。大氣壓低溫等離子體生成方式包括電暈放電、介質阻抗放電、微波放電等,下面進行介紹這三種放電方式的工作原理。

(1) 電暈放電

在極不均勻電場中,電暈放電是最常見的放電方式,因其在放電電極的尖端產生類似日暈的放電圖像,所以此種放電稱為“電暈”。電暈放電的過程中伴隨著絲絲的聲音及圓球狀的淡紫光環,時不時的也能聞到臭氧,且不受外界因素的影響,放電的維持只與電源有關。由于電場強度是極不均勻的,所以放電電極的尖端處電場強度最強,此處周圍的氣體氛圍被電離,且電離程度較高。而遠離電極尖端區域的電場強度會快速下降,隨著距離的增大,周圍氣體氛圍被電離的程度變低,氣體只會被部分電離,因此產生的等離子體是冷的。一種典型的電暈放電裝置,如圖2.2所示;此裝置的放電針電極連接脈沖調制高壓直流電源的陰極,陽極連接電極板,這樣連接的好處是兩端的放電電極之間不易擊穿產生電弧,且更易產生電暈放電。電暈放電的放電強度是微弱的,放電形成的是常見的低溫等離子體,在電除塵、廢水處理等領域有著廣泛的應用,但電暈放電的區域較小,被處理物體的面積受到限制。為了增大其處理區域,研究員把放電電極用面積大的金屬板替代,同時為了防止兩金屬板之間形成電弧放電,一般在金屬板之間放置絕緣介質板,從而形成了介質阻擋放電。

圖1. 1電暈放電的典型裝置示意圖

(2) 介質阻擋放電

介質阻擋放電與電暈放電最直接的區別是兩個放電電極之間存在除了空氣絕緣介質外,還有其它的絕緣介質;隨著絕緣介質所處的位置不同,其介質阻擋放電的等離子體的形貌也不同。由于介質阻抗放電的兩放電電極之間不發生擊穿現象,所以放電區域的氣體被部分電離,但氣體未失去其絕緣性能。幾種典型的介質阻抗放電裝置,如圖2.1所示;高壓交流電源的一端連接放電電極的高壓側,另一端連接地電極,兩電極之間在高電壓的作用下形成高壓電場,當電場強度達到電離氣體的閾值時,由于絕緣介質板的存在,不發生電弧現象。處于放電區域的氣體被部分電離形成大氣壓低溫等離子體,其產生的低溫等離子體的作用面積比電暈放電的大得多。而且介質板表面受到電場力作用會形成與感應電場極性相反的電場,從而一定程度上抑制了擊穿現象的發生;但當電壓過高時,絕緣介質板表面感應的相反極性電場不足以抑制擊穿,則會發生電弧現象。因此,介質阻抗放電要嚴格控制施加的電壓值,在正常工作情況下,放電形成大氣壓低溫等離子體。

圖2. 1介質阻擋放電的典型裝置示意圖

(3) 微波放電

微波放電與電暈放電、介質阻擋放電有著本質的區別,電暈放電和介質阻抗放電是利用施加幾千伏或者更高的電壓形成高壓電場,從而電離氣體產生等離子體;而微波放電是利用微波能量形成較高的電場強度,此方式擊穿氣體形成的等離子體射流具有溫度低、活性粒子成分豐富等獨特優勢,更受到人們的喜愛。微波放電是由微波電源經同軸傳輸線傳遞微波能量,利用放電器的特殊結構,使放電區處于駐波的波峰處,在較窄的噴嘴形成較強的電場強度。如圖3.1是典型的微波放電裝置示意圖,其裝置是同軸線諧振器的一種;微波電源連接同軸傳輸線,將微波能量經微型同軸連接器輸入至放電器的諧振腔內,微波能量在諧振腔的作用下轉化為氣體的內能;同軸線諧振器的開路端在微波能量的激勵下產生較高的電場強度,經過噴嘴的載氣被高電場強度電離形成等離子體。而工作載氣與周圍氣體形成壓強差,促使周圍的空氣向噴嘴口作定向流動,在壓強差氣流的牽引下形成一定長度的等離子體射流。為了能夠放電產生大氣壓微波低溫等離子體,則需要調節微波電源的工作參數、氣體流速。當放電器與微波電源組成的放電系統處于諧振狀態時,通過改變實驗條件,放電產生的等離子體射流參數也隨之變化,形成大氣壓微波低溫等離子體。

圖3. 1微波放電的典型裝置示意圖