等离子体射流及其应用-APPJ

等离子体是对被剥夺电子后的原子及被电离后的原子产生的离子化气体状物质的统称。在等离子体产物中通常会存在着大量带电粒子(例如OH-、H2O+)、活性物质、以激发态存在于环境中的O2和N2以及紫外线。

按照等离子体整体是否达到平衡态,将等离子体整体已经达到平衡态的叫做平衡热力学等离子体,将不能达到整体平衡态的叫做非平衡热力学等离子体,而对于将要达到平衡态的等离子体称为准热力学等离子体。由于温度与热平衡态是息息相关的,因此根据温度分类以及根据热力学平衡状态分类又是相互交叉的。高温等离子体通常指的就是平衡热力学等离子体,低温等离子体一般指的是非平衡热力学等离子体。在等离子体的产生过程中通常借助放电实现,该方法的主要思路是让处于电场中的电子动能快速增大,以及处于两电极之间的气体碰撞概率增大、次数增多,将气态原子和分子从较低的能态激发到较高的能态而产生等离子体。在实际有关产生等离子体的研究中通常使用介质阻挡放电(DBD)、表面介质阻挡放电(SDBD)、大气压等离子体射流(APPJ)等装置来得到等离子体。

对于传统意义上产生等离子体的技术来说,存在着诸多限制等离子体技术广泛应用的问题,例如需要较高的击穿电压击穿气体实现产生等离子体;放电间隙相对较短;活性粒子能量较低,无法处理体积较大的物体;并且整体实验条件十分苛刻的问题。着眼于目前限制应用的这些棘手的问题,研究者们通过不断地摸索新的方法,设计出了一种新的等离子体产生方式——APPJ。APPJ技术是指可以在大气压的开放条件下,受到高压与气流等因素的影响,产生喷射状的等离子体射流,并对周围的处理物进行处理的放电技术。其发生装置主要包括高压电极、喷嘴、工作气体等部分,如图1-1就是典型的APPJ装置示意图。

APPJ等离子体射流具备可以在开放空间中得到;激发装置灵活多变、操作便捷;实验安全性高;射流的气体温度接近室温;较低的激发电压;射流较为均匀和稳定;处理时间短、效率高;不宜残留、无污染的优点,因此受到了极大的关注,现在已经广泛应用在农业、材料处理、薄膜沉积以及生物医学等领域,对生产生活具有重要意义。

农业领域中,APPJ技术有独特的优势。在育种时,种子经过APPJ处理之后,可激发种子的活性,并且不会对种子造成基因污染。

材料处理方面,由于等离子体射流中富含电离空气产生的带电粒子、活性基团等,并且不同的电离气体可以产生不同的带电粒子,因此APPJ在材料的改性中有重要作用。

薄膜沉积方面,等离子体射流产生的活性粒子可以直接对处理物进行处理,对处理物的形状并无特别要求,因此在薄膜加工方面有较好的应用前景。

生物医学方面,等离子体已经应用在了很多医学领域中,研究表明,等离子体在癌症、皮肤病、口腔治疗及新冠病毒灭活等领域都有显著的效果。