大气非平衡等离子体射流：基础理论

由于空气中存在电负性气体氧O2，因此产生大气压非平衡空气等离子体射流更加困难。尽管如此，这些年来人们仍然研制出几种空气等离子体射流[103～107]。Mohamed等报道了一个空气微等离子体射流装置[104]，如图1.3.6（a）所示。它采用中间开孔的绝缘层（厚度为0.2～0.5mm，直径为0.2～0.8mm）将阳极和阴极分开，阳极和阴极的中心孔直径相同。限流电阻为51kΩ。当空气流过孔，在阳极和阴极之间施加几百伏（最高到1kV）的直流电压（取决于绝缘层的厚度），即可产生相对较低温度的空气等离子体射流。根据气体流速和放电电流，该等离子体射流的长度最长约为1cm。但是，该等离子体射流的气体温度仍然比较高。在放电间隙内的气体温度约为1000K。不过射流的气体温度随着离喷嘴距离的增加迅速降低。在空气流量为200mL/min、放电电流约为19mA时，距喷嘴5mm处其气体温度约为50℃。

图1.3.5　氮气等离子体射流装置示意图[55]

图1.3.6　空气等离子体射流装置示意图[55](www.xing528.com)

Hong等报道了另一种类型的空气等离子体射流装置，装置结构示意图如图1.3.6（b）所示[103]。该装置的特征之一是使用多孔氧化铝电介质将高压不锈钢电极与外部地电极分开。该装置使用的氧化铝的孔隙率约为30vol%，平均孔径为100μm。接地电极由不锈钢制成，其中间有一个直径为1mm的孔，等离子体射流通过该中心孔喷射到周围的空气中。当使用60 Hz高压电源，空气流速为每分钟几个标准升时，可以产生长约2cm的空气等离子体射流。研究发现它在一个电压周期内有多次放电，输入功率的增加导致更多的电流脉冲。该装置的缺点与前面的装置相同，即等离子体射流的气体温度较高。对于5L/min的空气流量，在距喷嘴10mm处它的气体温度约为60℃。对于较低的流速，气体温度会更高。

图1.3.6（c）和（d）是两个“浮动”电极空气等离子体射流装置示意图[106～107]。严格来说，它们不是等离子体射流，因为等离子体是在间隙内产生的。但是，由于地电极可以是人体，因此在本书中仍将其归类为等离子体射流。两种射流均可产生室温空气等离子体。从电的角度来看，它们是安全的，动物或人可以与该等离子体直接接触而不会有电击感。

对于图1.3.6（c）所示装置，它使用幅值为10～30kV的千赫兹AC或脉冲DC电压来驱动。当高压电极以小于约3mm的距离（放电间隙）靠近要被处理的表面时，空气击穿开始放电，具体等离子体特性取决于驱动电压参数等。该射流适用于大型平滑表面处理。

图1.3.6（d）所示射流装置则更适合于局部三维处理。该射流装置由直流电源驱动。电源的输出通过120 MΩ的电阻R连接到不锈钢针电极，该电阻值比报道的其他类似放电的电阻值高出几个数量级[108]。当将手指等靠近针头时，会产生等离子体。等离子体类似于正流注放电。然而，该射流可以被人体直接触摸，而传统的流注放电则不能。该射流没有向电弧放电过渡的风险，其等离子体射流的最大长度约为2cm，等离子体的气体温度保持在室温。有趣的是，该装置放电实际上是脉冲形式，它以数十千赫兹的脉冲频率周期性出现，其脉冲频率取决于施加的电压及针尖与被处理对象之间的距离。