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等離子體是物質的第四種形態,又被叫做電漿主要分為兩大類:熱等離子體和非熱等離子體，熱等離子體具有很高的粒子溫度,常用于冶金、離子切割、噴涂及熔融危險物形成無害產物等方面,但由于其選擇性不佳,能量利用率低,故未能在化學反應方面得到廣泛的應用。與熱等離子體不同,盡管非熱等離子體在放電時會產生很高的電子溫度,但重粒子溫度卻很低,這使得整個放電環境呈現低溫狀態。電子的溫度并不像熱等離子體一樣用來加熱氣體,而是用來產生利于反應進行的高活性粒子如電子、離子、原子和活性自由基等”。非熱等離子體通常由氣體放電產生,按照不同放電形式主要分為以下幾種:介質阻擋放電、射頻放電、微波放電、輝光放電和電暈放電。其示意圖見圖1。

圖1非熱等離子體的示意圖

a.介質阻擋放電;b.輝光放電;c.射頻放電;d.微波放電;e.電暈放電

介質阻擋放電

介質阻擋放電通常是指被絕緣介質阻斷的兩個金屬電極間的電場強度達到擊穿強度而形成的一種氣體放電形式,是一種典型的雙電極放電形式,放電過程噪音小而且均勻,并且會產生大量的高活性物質(如激發態粒子、自由基等)和具有高熱效應的自由電子,這些物質的化學性質非常活躍,往往能夠促進化學反應的發生。因此,介質阻擋放電是目前研究最多、應用最廣泛的一種等離子體放電形式。

射頻放電

射頻放電是通過外加電場或高頻感應電場使得反應器內部處于低壓狀態的氣體電離而產生的一種氣體放電形式,分為感應放電和電容放電兩種形式。通常情況下,射頻等離子體的電源與放電區域分開,通過接線將螺旋圈固定在反應器外部,通過耦合的方式進行等離子體放電。因具有低氣壓、高密度等放電特性,常被應用在新材料的制備及材料表面改性等工藝中。

微波放電

微波放電是指在微波能量場作用下加速反應體系中的電子,激發反應氣體,從而產生等離子體的一種放電形式。與其他放電形式相比,微波放電是可以在沒有電極與等離子體接觸的情況下操作微波進行放電處理,具有放電均勻、處理高效、避免樣品污染等優勢。

輝光放電

輝光放電是指在反應器空腔內充滿低壓氣體,在外電壓的作用下,稀薄氣體中的正離子經過電場加速,獲得足夠的動能,轟擊陰極產生二次電子,從而使氣體導電所產生的一種放電形式。輝光放電電流強度小、密度大、粒子能量高,因此該技術常用來刻蝕或摻雜材料。

電暈放電

電暈放電是指當電極尖端附近的電場強度達到擊穿強度時,介質間隙被擊穿,氣體發生游離而產生的局部放電現象。此現象常發生在不均勻電場中電場強度很高的區域,在工作時電極尖端附近會出現與日暈相似的藍色發光層,并伴有“嘶嘶”的放電聲。近年常被應用在材料表面處理和材料制備等領域。