大气压冷等离子体发生装置-cold plasma

等离子体是完全电离或部分电离的物质聚集态,也可以说凡是包含足够数量的,电荷数近于相等的正负带电粒子的物质聚集态称为等离子体。等离子体在放电过程中一般存在六种基本粒子:光子、电子、基态原子(或分子)、激发态原子(或分子)以及带正电的阳离子和带负电的阴离子。

等离子体根据其温度的不同,可以被分类为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体是一种热力学平衡状态下的等离子体,这种等离子体通常存在于恒星内部和其他高温环境中。低温等离子体则是一种不完全电离的等离子体,其中电子的温度远高于重粒子的温度。低温等离子体又可以进一步分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体接近或处于热力学平衡状态,其电子温度与离子温度大致相同,常见的例子包括电弧等离子体放电和磁流体放电。而冷等离子体则处于非热力学平衡状态,电子温度显著高于离子温度,常见的例子包括辉光放电和电晕放电。冷等离子体在材料处理、半导体工业和生物医学等领域有着广泛的应用。

图 1 直流放电管气体放电的伏安特性曲线

等离子体气体放电过程、气体放电的形式和特性与所采用的电场类型及放电参数有关。如图1所示为一个典型的气体放电过程,分为暗放电区,即无明显放电现象、辉光放电区,即电极周围出现昏暗的辉光、电弧放电区,即气体已接近完全电离。

大气压冷等离子体发生装置

产生大气压冷等离子体的装置组成一般为气体源、电源和等离子体发生器。经常使用气体源主要包括氩气、有机物、其他惰性气体等。电源按照不同的性质特点分为中频交流电源、直流电源、射频电源等。因为放电形式和原理不同,常见等离子体发生器可分为介质阻挡放电装置和裸电极放电装置。

(1)介质阻挡放电装置

介质阻挡放电(Dielectricbarrierdischarge,DBD)是放电空间中存在绝缘介质的一种非平衡态气体放电。由于至少存在一个绝缘的电介质屏障,因此介质阻挡放电类似于电容器,把绝缘物质(介质)被放置于装置的高压、低压电极间,两电极间施加交流电,电位差逐渐提高,最终可以击穿绝缘介质,从而产生等离子体射流,如图2所示。这类装置适应性强,高压低压均可均可正常工作。介质阻挡放电发生装置根据电极的性能特点不一致、绝缘介质摆放位置的不同可分为多种类型,如针-板式电极结构、针-环式电极结构、双环式电极结构等,但放电原理大同小异。

图 2 介质阻挡放电发生装置

(2)裸电极放电装置

介质阻挡放电装置需要一定的电压电流才能击穿位于电极之间的绝缘介质;而裸电极放电的电极位置则与之不同,这类装置往往将电极置于放电空间内。放电后,电流强度慢慢变大,直到工作气体被击穿,从而生成等离子体射流。裸电极放电发生装置原理图如图3所示,高压与低压电极间不插入介质,往往钨针作为高电压,外围的导电片位低电压,以此种方式可以产生低电压的冷等离子体射流。

图 3 裸电极放电装置