低溫大氣高壓等離子體炬

等離子體炬主要利用陰陽極間施加的電壓加速初始電子達到電離氣體的動能，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準大氣壓條件下，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施加強電場，當電場強度超過一定值時，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大，進而電子自由程也極小于低氣壓時的電子自由程，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構，其主要結構為棒電極和金屬管。

圖1-1 低溫大氣高壓等離子體炬裝置的典型結構

棒電極接高壓電源，金屬管與地連接并保持零電勢，棒電極置于金屬管正中心。金屬管兩端為通孔結構，通孔的一邊設計為噴嘴形狀，另一邊與工作氣體連接，該結構可以將高壓擊穿工作氣體產(chǎn)生的等離子體從內部電極間隙以等離子體射流的形式擴展到周圍環(huán)境中。

空間中，工作區(qū)域和電極之間的放電區(qū)域可以通過等離子體射流彼此分離，并且等離子體射流中的活性物質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)生的等離子體對需要處理的物品尺寸以及形狀沒有特殊要求，可以廣泛地應用到實際生活中去。

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。為了使高電壓時氣體放電均勻并且避免其轉化為電弧放電，一般情況下，將絕緣介質放入至兩電極間，這被稱作介質阻擋放電。

介質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平行板組成兩個電極或一根同軸棒（或線）與一個金屬管構成兩個電極是介質阻擋放電主要的兩種電極結構。用特定的工作氣體（如空氣、惰性氣體、氮氣等）填充兩個電極之間的間隙，且絕緣介質至少覆蓋其中一個電極或者放置于兩個電極之間是介質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

當產(chǎn)生介質阻擋放電時，在絕緣介質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的反向空間電場。放電電流的增加受到限制，從而可以防止放電轉換成火花放電或電弧放電。不同工作氣體或者不同類型的施加電壓產(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間和空間不規(guī)則分布的特征以及大量的細絲狀微放電通道，并且，盡管單個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絲電流和不均勻放電的特點，會導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，介質阻擋絲狀放電的應用受到限制。介質阻擋放電的輝光放電模式類似于低壓環(huán)境中的輝光放電，放電是均勻的且在兩個電極之間的間隙中擴散。輝光放電模式可以更好地補償絲狀放電的缺陷，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物質具有極高的活性。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，因此介質阻擋放電通常具有毫米至厘米量級的較窄間隙。如果繼續(xù)增大電壓，由于電場在放電間隙中分布不均勻，則可能會使介質阻擋放電快速轉化為火花放電，同時過高的電壓在實際應用中也存在安全隱患。因此介質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，具有一定的局限性。

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低溫大氣高壓等離子體炬

低溫大氣高壓等離子體炬裝置