大气压非平衡等离子体射流物理基础

在实验室中，不同气压下均可以产生等离子体。但是，如果在实验室中低气压条件下产生等离子体，则需要真空系统。为了避免使用昂贵和复杂的真空系统，在过去的几十年中人们一直研究在大气压下产生等离子体。一方面，在一个大气压下，中性粒子密度约为2.4×1025m-3。电子-中性粒子碰撞频率νen=n0（2kTe/me）1/2σ0约为1011～1012s-1，其中，n0、Te、me、σ0分别是中性粒子密度、电子温度、电子质量、电子-中性粒子碰撞截面，k为玻尔兹曼常数[3]。当使用放电产生等离子体时，如果电场足够高，电子从电场中获得的能量要多于与中性粒子碰撞而损失的能量，电子可以在电场下加速并导致雪崩电离，最终使得气体击穿。由于电子-中性粒子碰撞的高频率，很大一部分电子能量被转移到中性粒子上。当工作气体中存在分子气体时，尤其如此，因为分子气体的转动和振动态的能级远低于分子的电离势。在这样的条件下，中性粒子温度Tn显著升高并且可以接近电子温度Te，此时将该等离子体分类为平衡等离子体。实验室中产生的典型平衡等离子体是直流电压驱动的电弧放电等离子体。电弧等离子体的中性粒子温度Tn和电子温度Te大多在几千开尔文。电弧等离子体被广泛使用，包括焊接、切割和废料处理。

另一方面，数千开尔文的气体温度对于许多其他应用来说太高了。例如，在大气压等离子体中增长最快的应用领域之一的等离子体医学就要求等离子体的气体温度Tn保持或接近室温。气体温度Tn远低于电子温度Te的这种等离子体被分类为非平衡等离子体。

据报道，有几种方式可在大气压下产生大气压非平衡等离子体。通常，可以将这些方法分为两大类，即通过时间或空间方法控制放电。最常用的时间控制放电的方法是电介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD），它通过用电介质覆盖一个或两个电极来限制放电电流的持续时间，因此放电电流的持续时间受到限制，实际放电电流呈现为脉冲的形式，导致输送到等离子体的总能量明显减少[4～15]。DBD的典型电子温度只有几个电子伏特（eV），DBD的气体温度通常略高于或接近室温。(www.xing528.com)

时间控制放电方法中另一种广泛采用的技术是使用纳秒脉冲电压来驱动放电[16～20]。此时仅在加载纳秒脉冲电压时产生等离子体。因此，总能量也受到了限制。此外，纳秒脉冲放电还有其他优点。由于所施加电压上升时间很短，施加在放电间隙上的电压可以实现很高的过电压，这可以导致高电子温度和高峰值放电电流。由纳秒脉冲电压驱动的大气压等离子体的电子温度和电子密度峰值可以分别达到约10eV和1013cm-3。由于高电子温度和高峰值电流，纳秒级脉冲电压产生的反应物活性粒子浓度更高。另外，研究发现，即使将空气用作工作气体，当放电间隙较小时，也可以在大气压下产生均匀的大气压空气等离子体。最后，可以通过控制脉冲上升时间、脉冲频率、脉冲宽度和电压的幅度来精确调整各种等离子体参数，如活性粒子浓度和气体温度。

关于空间控制放电方法，研究比较多的是微放电，它将等离子体限制在较小的介质腔中，即将放电限制在亚毫米范围内的小体积内[21～30]。由于有较大的表面积-体积比，通过热传导冷却有助于使放电中的气体温度保持较低的水平，从而保持其非平衡性。