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等離子體代表了一種獨特的物質(zhì)狀態(tài),它與我們自然界中的物質(zhì)最為常見的三種組成狀態(tài)“固、液、氣”不同,是物質(zhì)的第四種存在狀態(tài)。等離子體在宇宙中的含量接近百分之百,例如存在于恒星內(nèi)部、星云以及行星的大氣層中。但在我們生活的環(huán)境中是個例外,除了閃電、極光等幾乎不存在自然等離子體。這是因為等離子體的產(chǎn)生和維持均需要較高的能量,正如水從固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變需要吸收熱能一樣。

依據(jù)等離子體所處的氣壓不同,又有低氣壓等離子體,亞常壓等離子體和常壓等離子體。

常壓等離子體射流能夠在開放空間直接產(chǎn)生高密度、低溫等離子體,因此越來越受到人們的關(guān)注,這一獨特性質(zhì)使得常壓等離子體射流能夠比低壓等離子體更好地應(yīng)用在各種領(lǐng)域,如材料表面改性、薄膜沉積、生物醫(yī)學(xué)、航空航天和環(huán)境科學(xué)等。與低壓等離子體類似,大氣壓等離子體射流可以通過多種方法產(chǎn)生,如直流、低頻交流電、射頻和微波。不同的是,由于無需利用低氣壓放電的真空系統(tǒng),設(shè)備的整體便攜性大大提高,同時成本大大降低。第二個優(yōu)勢是,由于等離子體余暉現(xiàn)象,等離子體的衰減存在一個過程,在失去維持等離子體的能量后還能存在一小段時間。又因工作氣體高速流動,裝置內(nèi)的等離子體被后續(xù)的氣體推出強電場區(qū)域形成射流,這樣一來等離子體能夠在開放的自由空間中維持。因此,等離子體射流的應(yīng)用具有靈活性,能夠在處理過程中適應(yīng)被處理物的不同尺寸和形狀,而不受這些特性的制約,相較于其他類型等離子體源有著更廣的應(yīng)用前景。

依據(jù)等離子體的激勵源不同,又可分為直流等離子體、低頻交流等離子體、射頻等離子體以及微波等離子體等。其中使用微波激勵來產(chǎn)生等離子體有很多優(yōu)勢,例如無電極污染、可控性更強,且有充分的實驗證據(jù)證明,微波等離子體的活性物種密度更高。

微波等離子體射流的產(chǎn)生

等離子體的放電形式可以按激勵源的工作頻率劃分,包括低頻等離子體、射頻等離子體以及微波等離子體,其中微波的頻率在300MHz-300GHz之間。用于產(chǎn)生等離子體常見的微波源為915MHz和2.45GHz兩個頻率。

等離子體是由氣體分子被擊穿電離而成的呈電中性的物質(zhì),主要由電子、離子、活性自由基、光子等成分組成。根據(jù)微波電磁場基礎(chǔ)理論,微波等離子體的產(chǎn)生主要是依托于微波諧振腔產(chǎn)生的駐波對于電磁場的疊加增幅從而產(chǎn)生高強度電場,擊穿工作氣體從而產(chǎn)生等離子體。

在進行微波等離子體射流激發(fā)時需要先將工作氣體通入諧振腔內(nèi),微波功率源通過同軸線傳入進入諧振腔內(nèi),并在內(nèi)電極尖端開路位置形成駐波,此時形成的高強度電場首先會將工作氣體擊穿并噴射至噴嘴位置從而在諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的等離子體。