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等離子體是完全電離或部分電離的物質(zhì)聚集態(tài),也可以說凡是包含足夠數(shù)量的,電荷數(shù)近于相等的正負(fù)帶電粒子的物質(zhì)聚集態(tài)稱為等離子體。等離子體在放電過程中一般存在六種基本粒子:光子、電子、基態(tài)原子(或分子)、激發(fā)態(tài)原子(或分子)以及帶正電的陽離子和帶負(fù)電的陰離子。

等離子體根據(jù)其溫度的不同,可以被分類為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體是一種熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的等離子體,這種等離子體通常存在于恒星內(nèi)部和其他高溫環(huán)境中。低溫等離子體則是一種不完全電離的等離子體,其中電子的溫度遠(yuǎn)高于重粒子的溫度。低溫等離子體又可以進(jìn)一步分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體接近或處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),其電子溫度與離子溫度大致相同,常見的例子包括電弧等離子體放電和磁流體放電。而冷等離子體則處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài),電子溫度顯著高于離子溫度,常見的例子包括輝光放電和電暈放電。冷等離子體在材料處理、半導(dǎo)體工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

圖 1 直流放電管氣體放電的伏安特性曲線

等離子體氣體放電過程、氣體放電的形式和特性與所采用的電場類型及放電參數(shù)有關(guān)。如圖1所示為一個典型的氣體放電過程,分為暗放電區(qū),即無明顯放電現(xiàn)象、輝光放電區(qū),即電極周圍出現(xiàn)昏暗的輝光、電弧放電區(qū),即氣體已接近完全電離。

大氣壓冷等離子體發(fā)生裝置

產(chǎn)生大氣壓冷等離子體的裝置組成一般為氣體源、電源和等離子體發(fā)生器。經(jīng)常使用氣體源主要包括氬氣、有機(jī)物、其他惰性氣體等。電源按照不同的性質(zhì)特點分為中頻交流電源、直流電源、射頻電源等。因為放電形式和原理不同,常見等離子體發(fā)生器可分為介質(zhì)阻擋放電裝置和裸電極放電裝置。

(1) 介質(zhì)阻擋放電裝置

介質(zhì)阻擋放電(Dielectricbarrierdischarge,DBD)是放電空間中存在絕緣介質(zhì)的一種非平衡態(tài)氣體放電。由于至少存在一個絕緣的電介質(zhì)屏障,因此介質(zhì)阻擋放電類似于電容器,把絕緣物質(zhì)(介質(zhì))被放置于裝置的高壓、低壓電極間,兩電極間施加交流電,電位差逐漸提高,最終可以擊穿絕緣介質(zhì),從而產(chǎn)生等離子體射流,如圖2所示。這類裝置適應(yīng)性強,高壓低壓均可均可正常工作。介質(zhì)阻擋放電發(fā)生裝置根據(jù)電極的性能特點不一致、絕緣介質(zhì)擺放位置的不同可分為多種類型,如針-板式電極結(jié)構(gòu)、針-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)、雙環(huán)式電極結(jié)構(gòu)等,但放電原理大同小異。

圖 2 介質(zhì)阻擋放電發(fā)生裝置 

(2) 裸電極放電裝置

介質(zhì)阻擋放電裝置需要一定的電壓電流才能擊穿位于電極之間的絕緣介質(zhì);而裸電極放電的電極位置則與之不同,這類裝置往往將電極置于放電空間內(nèi)。放電后,電流強度慢慢變大,直到工作氣體被擊穿,從而生成等離子體射流。裸電極放電發(fā)生裝置原理圖如圖3所示,高壓與低壓電極間不插入介質(zhì),往往鎢針作為高電壓,外圍的導(dǎo)電片位低電壓,以此種方式可以產(chǎn)生低電壓的冷等離子體射流。

圖 3 裸電極放電裝置