低溫大氣高壓等離子體炬

等離子體炬主要利用陰陽(yáng)極間施加的電壓加速初始電子達(dá)到電離氣體的動(dòng)能，碰撞中性氣體，使氣體原子或分子電離形成持續(xù)的等離子體的裝置。

大氣等離子體通常是指在接近或等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，在充滿特殊氣體的其他腔體中或普通空氣中激發(fā)產(chǎn)生的等離子體。人工激發(fā)等離子體的方法很多，例如，激光輻射電離以及氣體放電等，其中，人工生成大氣壓等離子體的主要方式為在一定的氣體空間內(nèi)施加強(qiáng)電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，氣體將發(fā)生擊穿并產(chǎn)生放電。由于在大氣壓環(huán)境下，氣體的粒子密度比低氣壓時(shí)大，進(jìn)而電子自由程也極小于低氣壓時(shí)的電子自由程，因此產(chǎn)生氣體放電的電壓比低氣壓的情況要高很多。

低溫大氣高壓等離子體炬裝置

如圖1-1所示為典型的低溫大氣高壓等離子體炬裝置的結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)為棒電極和金屬管。

圖1-1 低溫大氣高壓等離子體炬裝置的典型結(jié)構(gòu)

棒電極接高壓電源，金屬管與地連接并保持零電勢(shì)，棒電極置于金屬管正中心。金屬管兩端為通孔結(jié)構(gòu)，通孔的一邊設(shè)計(jì)為噴嘴形狀，另一邊與工作氣體連接，該結(jié)構(gòu)可以將高壓擊穿工作氣體產(chǎn)生的等離子體從內(nèi)部電極間隙以等離子體射流的形式擴(kuò)展到周?chē)h(huán)境中。

空間中，工作區(qū)域和電極之間的放電區(qū)域可以通過(guò)等離子體射流彼此分離，并且等離子體射流中的活性物質(zhì)和帶電粒子能夠被直接輸送到待處理的物體表面并獲得優(yōu)異的處理效果，因此低溫大氣高壓等離子體炬裝置產(chǎn)生的等離子體對(duì)需要處理的物品尺寸以及形狀沒(méi)有特殊要求，可以廣泛地應(yīng)用到實(shí)際生活中去。

大氣壓中的氣體放電也包括電弧放電，可產(chǎn)生大氣壓熱平衡等離子體。為了使高電壓時(shí)氣體放電均勻并且避免其轉(zhuǎn)化為電弧放電，一般情況下，將絕緣介質(zhì)放入至兩電極間，這被稱(chēng)作介質(zhì)阻擋放電。

介質(zhì)阻擋放電是在大氣環(huán)境下產(chǎn)生非熱平衡低溫等離子體的主要方式之一，兩個(gè)平行板組成兩個(gè)電極或一根同軸棒（或線）與一個(gè)金屬管構(gòu)成兩個(gè)電極是介質(zhì)阻擋放電主要的兩種電極結(jié)構(gòu)。用特定的工作氣體（如空氣、惰性氣體、氮?dú)獾龋┨畛鋬蓚€(gè)電極之間的間隙，且絕緣介質(zhì)至少覆蓋其中一個(gè)電極或者放置于兩個(gè)電極之間是介質(zhì)阻擋放電的主要特征。如圖1-2所示。

圖1-2 低溫大氣高壓等離子體炬裝置

當(dāng)產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電時(shí)，在絕緣介質(zhì)的表面將存在電荷積累，然后將存在可以減弱原始外部電場(chǎng)的反向空間電場(chǎng)。放電電流的增加受到限制，從而可以防止放電轉(zhuǎn)換成火花放電或電弧放電。不同工作氣體或者不同類(lèi)型的施加電壓產(chǎn)生的放電模式可以是絲狀或輝光放電。絲狀放電模式通常具有放電時(shí)間和空間不規(guī)則分布的特征以及大量的細(xì)絲狀微放電通道，并且，盡管單個(gè)微放電通道的放電電流的密度很高，大于100A/cm2，但是壽命僅為10~100ns。由于絲狀放電模式具有密度大的細(xì)絲電流和不均勻放電的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致被處理的物體表面處理不均勻或受到損傷等后果，在一定程度上，介質(zhì)阻擋絲狀放電的應(yīng)用受到限制。介質(zhì)阻擋放電的輝光放電模式類(lèi)似于低壓環(huán)境中的輝光放電，放電是均勻的且在兩個(gè)電極之間的間隙中擴(kuò)散。輝光放電模式可以更好地補(bǔ)償絲狀放電的缺陷，在低溫非熱平衡狀態(tài)下激發(fā)產(chǎn)生等離子體，該等離子體中的化學(xué)物質(zhì)具有極高的活性。但是由于擊穿氣體的電壓在大氣環(huán)境中很高，例如空氣為30kV/cm，因此介質(zhì)阻擋放電通常具有毫米至厘米量級(jí)的較窄間隙。如果繼續(xù)增大電壓，由于電場(chǎng)在放電間隙中分布不均勻，則可能會(huì)使介質(zhì)阻擋放電快速轉(zhuǎn)化為火花放電，同時(shí)過(guò)高的電壓在實(shí)際應(yīng)用中也存在安全隱患。因此介質(zhì)阻擋輝光放電在處理幾何形狀不規(guī)則、規(guī)模較大或尺寸較大的物體時(shí)，具有一定的局限性。