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氣體放電是處于高壓電場的氣體電離產(chǎn)生電子及帶電粒子,此方法是產(chǎn)生等離子體最方便的方式,而氣體放電產(chǎn)生等離子體的參數(shù)又與其放電方式有著直接的聯(lián)系。當(dāng)氣體被完全電離時,產(chǎn)生的等離子體的溫度較高;而部分電離時,由于電子溫度與重粒子溫度相差較大,因此其溫度較低。大氣壓低溫等離子體生成方式包括電暈放電、介質(zhì)阻抗放電、微波放電等,下面進行介紹這三種放電方式的工作原理。

(1) 電暈放電

在極不均勻電場中,電暈放電是最常見的放電方式,因其在放電電極的尖端產(chǎn)生類似日暈的放電圖像,所以此種放電稱為“電暈”。電暈放電的過程中伴隨著絲絲的聲音及圓球狀的淡紫光環(huán),時不時的也能聞到臭氧,且不受外界因素的影響,放電的維持只與電源有關(guān)。由于電場強度是極不均勻的,所以放電電極的尖端處電場強度最強,此處周圍的氣體氛圍被電離,且電離程度較高。而遠離電極尖端區(qū)域的電場強度會快速下降,隨著距離的增大,周圍氣體氛圍被電離的程度變低,氣體只會被部分電離,因此產(chǎn)生的等離子體是冷的。一種典型的電暈放電裝置,如圖2.2所示;此裝置的放電針電極連接脈沖調(diào)制高壓直流電源的陰極,陽極連接電極板,這樣連接的好處是兩端的放電電極之間不易擊穿產(chǎn)生電弧,且更易產(chǎn)生電暈放電。電暈放電的放電強度是微弱的,放電形成的是常見的低溫等離子體,在電除塵、廢水處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,但電暈放電的區(qū)域較小,被處理物體的面積受到限制。為了增大其處理區(qū)域,研究員把放電電極用面積大的金屬板替代,同時為了防止兩金屬板之間形成電弧放電,一般在金屬板之間放置絕緣介質(zhì)板,從而形成了介質(zhì)阻擋放電。

圖1. 1電暈放電的典型裝置示意圖

(2) 介質(zhì)阻擋放電

介質(zhì)阻擋放電與電暈放電最直接的區(qū)別是兩個放電電極之間存在除了空氣絕緣介質(zhì)外,還有其它的絕緣介質(zhì);隨著絕緣介質(zhì)所處的位置不同,其介質(zhì)阻擋放電的等離子體的形貌也不同。由于介質(zhì)阻抗放電的兩放電電極之間不發(fā)生擊穿現(xiàn)象,所以放電區(qū)域的氣體被部分電離,但氣體未失去其絕緣性能。幾種典型的介質(zhì)阻抗放電裝置,如圖2.1所示;高壓交流電源的一端連接放電電極的高壓側(cè),另一端連接地電極,兩電極之間在高電壓的作用下形成高壓電場,當(dāng)電場強度達到電離氣體的閾值時,由于絕緣介質(zhì)板的存在,不發(fā)生電弧現(xiàn)象。處于放電區(qū)域的氣體被部分電離形成大氣壓低溫等離子體,其產(chǎn)生的低溫等離子體的作用面積比電暈放電的大得多。而且介質(zhì)板表面受到電場力作用會形成與感應(yīng)電場極性相反的電場,從而一定程度上抑制了擊穿現(xiàn)象的發(fā)生;但當(dāng)電壓過高時,絕緣介質(zhì)板表面感應(yīng)的相反極性電場不足以抑制擊穿,則會發(fā)生電弧現(xiàn)象。因此,介質(zhì)阻抗放電要嚴(yán)格控制施加的電壓值,在正常工作情況下,放電形成大氣壓低溫等離子體。

圖2. 1介質(zhì)阻擋放電的典型裝置示意圖

(3) 微波放電

微波放電與電暈放電、介質(zhì)阻擋放電有著本質(zhì)的區(qū)別,電暈放電和介質(zhì)阻抗放電是利用施加幾千伏或者更高的電壓形成高壓電場,從而電離氣體產(chǎn)生等離子體;而微波放電是利用微波能量形成較高的電場強度,此方式擊穿氣體形成的等離子體射流具有溫度低、活性粒子成分豐富等獨特優(yōu)勢,更受到人們的喜愛。微波放電是由微波電源經(jīng)同軸傳輸線傳遞微波能量,利用放電器的特殊結(jié)構(gòu),使放電區(qū)處于駐波的波峰處,在較窄的噴嘴形成較強的電場強度。如圖3.1是典型的微波放電裝置示意圖,其裝置是同軸線諧振器的一種;微波電源連接同軸傳輸線,將微波能量經(jīng)微型同軸連接器輸入至放電器的諧振腔內(nèi),微波能量在諧振腔的作用下轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能;同軸線諧振器的開路端在微波能量的激勵下產(chǎn)生較高的電場強度,經(jīng)過噴嘴的載氣被高電場強度電離形成等離子體。而工作載氣與周圍氣體形成壓強差,促使周圍的空氣向噴嘴口作定向流動,在壓強差氣流的牽引下形成一定長度的等離子體射流。為了能夠放電產(chǎn)生大氣壓微波低溫等離子體,則需要調(diào)節(jié)微波電源的工作參數(shù)、氣體流速。當(dāng)放電器與微波電源組成的放電系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時,通過改變實驗條件,放電產(chǎn)生的等離子體射流參數(shù)也隨之變化,形成大氣壓微波低溫等離子體。

圖3. 1微波放電的典型裝置示意圖