大气压低温等离子体

等离子体(plasma)为物质的“第四态”，是带电粒子和和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体，是基于放电物理、放电化学、反应工程学的学科之上的交叉学科。按其体系温度可将其分为高温等离子体和低温等离子体两大类。高温等离子体中的粒子温度T>100000000-1000000000 K, 粒子有足够的能量相互碰撞，达到了核聚变的反应条件。通常实验室所涉及到的等离子体范畴属于低温等离子体，它又分成热等离子体和冷等离子体，热等离子体是稠密气体在常压或高压条件下电弧放电或高频放电所产生，气体温度也在上千开，可使分子和原子解离、激发和电离。冷等离子体温度在100-1000 K，通常是稀薄气体在低压下通过激光、射频或微波电源激发辉光放电所产生。

低温等离子体放电过程中，电子从电场中得到能量，通过碰撞将能量转化为分子的内能和动能，获得能量的分子被激发，与此同时，部分分子被电离。这些活化了的粒子相互碰撞从而引起一系列复杂的物理化学反应，为等离子体技术的应用提供了条件。近几十年来，有关等离子体技术的研究非常活跃，为合成新物质、新材料及环境污染治理等提供了一种新技术、新方法和新工艺。

大气压低温等离子体的产生方法

常见的大气压低温等离子体的产生方法有辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、滑动电弧放电、射频放电、射流放电等。

辉光放电 (Glow Discharge)，工作气压一般都低于10mbar，在封闭的容器内放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。施加电压后放电间隙中的游离电子在电场的作用下，被加速而获得能量，与中性气体碰撞电离形成等离子体。

电晕放电(Corona Discharge)，是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是最常见的一种气体放电形式，其基本放电形式如图1所示。在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，出现电晕放电。

图1. 电晕放电基本形式      

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge)，是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。典型的介质阻挡放电电极结构如图2所示。在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。

图2. 介质阻挡放电基本形式       

射频等离子体放电（Radio Frequency Plasma Discharge)，是利用高频高压使电极周围的空气电离而产生的低温等离子体。由于射频低温等离子的放电能量高、放电的范围大，现在已经被应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解中。射频等离子可以产生线形放电，也可以产生喷射形放电。

滑动电弧放电(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)通常应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解。电极结构通常由延伸弧形电极构成如图3所示。电源在两电极上施加高压引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿。一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以产生强力电弧的大电流，电弧在电极的半椭圆形表面上向右膨胀，不断伸长直到不能维持为止。电弧熄灭后重新起弧，周而复始。其视觉观看滑动电弧放电等离子体就像火焰一般，但其平均温度却比较低即使将餐巾纸放在等离子体焰上也不会燃烧。滑动电弧放电产生的低温等离子体为脉冲喷射，但可以得到比较宽的喷射式低温等离子体炬。

图3. 滑动弧放电基本形式 

射流低温等离子放电(Jet Discharge)基本放电形式是介质阻挡放电，常见的放电形式如图4所示。气流的存在可以进一步抑制放电过程中可能产生的放电通道过于集中的问题，有利于产生一种稳定均匀的放电形式。此外，气流的吹动可以把放电空间产生的一些活性成分、激发态粒子、甚至电荷粒子导出放电空间区域，这样就可以实现放电区域与工作区域的分离，使这种放电等离子体发生装置具有更大的实用性。由于大气压非平衡等离子体射流能够在开放的空间，射流的长度从几毫米到十几厘米，射流的气体温度从几百摄氏度到常温，工作气体从以惰性气体为主到完全用周围空气，这就使许多应用的实现成为可能。目前，这种放电等离子体发生装置被用于材料表面处理、消毒灭菌、薄膜制备、废气废水处理等方面。射流低温等离子体的发展同时也推动着等离子体医学的进步。

图4. 射流放电基本形式

图5. 几种典型的针-筒电极、针-环电极APDBD 等离子体射流源结构示意图