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等離子體有多種產生方式,主要方式是氣體放電。這種方式是通過對氣體施加能量使氣體分子轉變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài),繼而發(fā)生電離。在這一過程中,核外電子由于吸收外界能量從而令原子核失去對電子的約束,進而將氣體變?yōu)橛啥喾N活性粒子組成的非平衡態(tài)物質。等離子體中的活性粒子無時無刻不在運動,相互之間發(fā)生碰撞。活性粒子之間發(fā)生的彈性碰撞不會使粒子系統(tǒng)損失動能,不會導致系統(tǒng)溫度改變,也不會產生光子或其他的活性粒子,這種碰撞幾乎不會影響等離子體的特性。然而非彈性碰撞則恰恰相反,將使粒子的速度發(fā)生改變、導致其所處狀態(tài)與前一時刻不同、或改變其所帶的電荷種類和大小,也可能會產生光子或新的活性粒子,從而影響等離子體的特性。在氣體放電后,粒子之間在發(fā)生碰撞的過程中會產生大量新的粒子以及處于激發(fā)態(tài)的粒子或者自由基團,在電場和氣流的共同作用下,可以形成射流狀的冷等離子體,即冷等離子體射流。

大氣壓冷等離子體射流的發(fā)生裝置主要包括氣源、等離子體電源和等離子體發(fā)生器。常見的工作氣體主要包括氧氣、氦氣、氮氣等。等離子體電源主要包括中頻交流電源、直流電源、射頻電源等。等離子體發(fā)生器可依據放電形式的不同分為多種,常見的包括介質阻擋放電、裸電極放電發(fā)生裝置等。

(1) 介質阻擋放電裝置

介質阻擋放電是由多個微放電形成的冷等離子體放電形式,最明顯的特點是玻璃或陶瓷等絕緣物質被放置于裝置的高壓、低壓電極間,如圖1所示。介質阻擋放電發(fā)生裝置可按照電極形狀、絕緣物質位置的不同分為多種,但放電原理基本相近。

圖 1 介質阻擋放電發(fā)生裝置 

(2) 裸電極放電發(fā)生裝置

介質阻擋放電的放電過程需要擊穿阻擋于電極之間的玻璃等絕緣介質;而裸電極放電的電極直接裸露在放電間隙內,之間并無絕緣介質,放電過程中只需將其間的工作氣體擊穿。常見的裸電極放電發(fā)生裝置如圖2所示,高壓電極與接地電極間并無介質,高壓直接作用在裸露的針電極與環(huán)電極之間,導致產生的冷等離子體射流具有相對較低的電位。此外,裸電極放電產生的冷等離子體宏觀溫度較低、且射流更加穩(wěn)定。

  圖2 裸電極放電發(fā)生裝置