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

等離子體根據其溫度的不同,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平衡狀態下的等離子體,這種等離子體通常存在于恒星內部和 其他高溫環境中。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 高于重粒子的溫度。低溫等離子體又可以進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平衡狀態,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平衡狀態,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、半導體工業和生物醫學等領域有著廣泛的應用。

常見的大氣壓冷等離子體發生裝置

產生大氣等離子體射流的裝置組成一般為氣體源、電源和等離子體發生器。經常使用氣體源主要包括氬氣、有機物、其他惰性氣體等。電源按照不同的性質特點分為中頻 交流電源、直流電源、射頻電源等。因為放電形式和原理不同,常見的大氣壓冷等離子體發生裝置可分為介質阻擋放電裝置和裸電極放電裝置。

(1) 介質阻擋放電裝置   

介質阻擋放電(Dielectric barrier discharge, DBD)是放電空間中存在絕緣介質的一種 非平衡態氣體放電[。由于至少存在一個絕緣的電介質屏障,因此介質阻擋放電類似 于電容器,把絕緣物質(介質)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,從而產生等離子體射流,如圖1所 示。這類裝置適應性強,高壓低壓均可均可正常工作。介質阻擋放電發生裝置根據電 極的性能特點不一致、絕緣介質擺放位置的不同可分為多種類型,如針-板式電極結構、 針-環式電極結構、雙環式電極結構等,但放電原理大同小異。

圖1 介質阻擋放電發生裝置

(2) 裸電極放電裝置   

介質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;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。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。裸電極放電發生裝置原理圖如圖2所示,高壓與低壓電極間不插入介質,往往鎢針作為高電壓,外圍的導電片位低電壓,以此種方式可以產生低電壓的冷等離子體射流。

圖 2  裸電極放電裝置