等離子體(plasma)為物質(zhì)的“第四態(tài)”，是帶電粒子和和中性粒子組成的表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體，是基于放電物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)的學(xué)科之上的交叉學(xué)科。按其體系溫度可將其分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類。高溫等離子體中的粒子溫度T>100000000-1000000000 K, 粒子有足夠的能量相互碰撞，達(dá)到了核聚變的反應(yīng)條件。通常實(shí)驗(yàn)室所涉及到的等離子體范疇屬于低溫等離子體，它又分成熱等離子體和冷等離子體，熱等離子體是稠密氣體在常壓或高壓條件下電弧放電或高頻放電所產(chǎn)生，氣體溫度也在上千開，可使分子和原子解離、激發(fā)和電離。冷等離子體溫度在100-1000 K，通常是稀薄氣體在低壓下通過激光、射頻或微波電源激發(fā)輝光放電所產(chǎn)生。

低溫等離子體放電過程中，電子從電場中得到能量，通過碰撞將能量轉(zhuǎn)化為分子的內(nèi)能和動(dòng)能，獲得能量的分子被激發(fā)，與此同時(shí)，部分分子被電離。這些活化了的粒子相互碰撞從而引起一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，為等離子體技術(shù)的應(yīng)用提供了條件。近幾十年來，有關(guān)等離子體技術(shù)的研究非?；钴S，為合成新物質(zhì)、新材料及環(huán)境污染治理等提供了一種新技術(shù)、新方法和新工藝。

大氣壓低溫等離子體的產(chǎn)生方法

常見的大氣壓低溫等離子體的產(chǎn)生方法有輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、滑動(dòng)電弧放電、射頻放電、射流放電等。

輝光放電 (Glow Discharge)，工作氣壓一般都低于10mbar，在封閉的容器內(nèi)放置兩個(gè)平行的電極板，利用電子將中性原子和分子激發(fā)，當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài)降回至基態(tài)時(shí)會(huì)以光的形式釋放出能量。電源可以為直流電源也可以是交流電源。施加電壓后放電間隙中的游離電子在電場的作用下，被加速而獲得能量，與中性氣體碰撞電離形成等離子體。

電暈放電(Corona Discharge)，是氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電，是最常見的一種氣體放電形式，其基本放電形式如圖1所示。在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，出現(xiàn)電暈放電。

圖1. 電暈放電基本形式      

介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge)，是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電。典型的介質(zhì)阻擋放電電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。

圖2. 介質(zhì)阻擋放電基本形式       

射頻等離子體放電（Radio Frequency Plasma Discharge)，是利用高頻高壓使電極周圍的空氣電離而產(chǎn)生的低溫等離子體。由于射頻低溫等離子的放電能量高、放電的范圍大，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解中。射頻等離子可以產(chǎn)生線形放電，也可以產(chǎn)生噴射形放電。

滑動(dòng)電弧放電(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)通常應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解。電極結(jié)構(gòu)通常由延伸弧形電極構(gòu)成如圖3所示。電源在兩電極上施加高壓引起電極間流動(dòng)的氣體在電極最窄部分電擊穿。一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提供足以產(chǎn)生強(qiáng)力電弧的大電流，電弧在電極的半橢圓形表面上向右膨脹，不斷伸長直到不能維持為止。電弧熄滅后重新起弧，周而復(fù)始。其視覺觀看滑動(dòng)電弧放電等離子體就像火焰一般，但其平均溫度卻比較低即使將餐巾紙放在等離子體焰上也不會(huì)燃燒?；瑒?dòng)電弧放電產(chǎn)生的低溫等離子體為脈沖噴射，但可以得到比較寬的噴射式低溫等離子體炬。

圖3. 滑動(dòng)弧放電基本形式 

射流低溫等離子放電(Jet Discharge)基本放電形式是介質(zhì)阻擋放電，常見的放電形式如圖4所示。氣流的存在可以進(jìn)一步抑制放電過程中可能產(chǎn)生的放電通道過于集中的問題，有利于產(chǎn)生一種穩(wěn)定均勻的放電形式。此外，氣流的吹動(dòng)可以把放電空間產(chǎn)生的一些活性成分、激發(fā)態(tài)粒子、甚至電荷粒子導(dǎo)出放電空間區(qū)域，這樣就可以實(shí)現(xiàn)放電區(qū)域與工作區(qū)域的分離，使這種放電等離子體發(fā)生裝置具有更大的實(shí)用性。由于大氣壓非平衡等離子體射流能夠在開放的空間，射流的長度從幾毫米到十幾厘米，射流的氣體溫度從幾百攝氏度到常溫，工作氣體從以惰性氣體為主到完全用周圍空氣，這就使許多應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)成為可能。目前，這種放電等離子體發(fā)生裝置被用于材料表面處理、消毒滅菌、薄膜制備、廢氣廢水處理等方面。射流低溫等離子體的發(fā)展同時(shí)也推動(dòng)著等離子體醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。

圖4. 射流放電基本形式

圖5. 幾種典型的針-筒電極、針-環(huán)電極APDBD 等離子體射流源結(jié)構(gòu)示意圖