大气压非平衡等离子体射流（1）物理基础-等离子体刷

用等离子体射流阵列虽然可以大幅度提高其处理面积，但由于阵列之间通常都有间隙，因此为了达到均匀的处理效果，需要对阵列的扫描模式进行很好的控制。为了能通过简单的扫描实现均匀的处理效果，可以通过产生等离子体刷来实现。图1.5.18（a）给出了一个等离子体刷装置的示意图[116]。该装置由两个刀片构成高压电极，它们同时形成气体的喷嘴。该高压电极通过串联一个36pF的电容和60kΩ的电阻与脉冲直流高压电源相连。串联的电容和电阻是为了限制放电电流。刀片的曲率半径约50μm。该等离子体刷的喷嘴尺寸为25mm×1 mm。氦气、氩气或者它们混合少量的氧气作为工作气体。图1.5.18（b）给出了等离子体刷与手指接触的照片，此时采用的是氦气作为工作气体，气体的流速为1L/min。

当该装置用来处理对象时，被处理对象到喷嘴的距离会影响等离子体特性。图1.5.19给出了被处理对象是金属导体，喷嘴（阳极）到被处理对象（阴极）不同距离时的照片。从图1.5.19中可以看出，当该距离从10mm减小到2mm时，该等离子体形状发生了改变。当该距离为10mm时，等离子体在空气中的长度约为几个毫米。当该距离减小到6mm时，如图1.5.19（b）所示，放电呈现出类似于辉光放电模式。继续减小放电距离到4mm，如图1.5.19（c）所示，放电仍类似于辉光放电形式，与6mm情况相比，暗区减小了，但正柱区基本没有变化。这与传统低气压辉光放电不同，对于低气压辉光放电，随着放电间隙的减小，正柱区减小。图1.5.19（d）为放电间隙减小到2mm时的等离子体照片，此时暗区完全消失了。

图1.5.18　等离子体刷装置

（a）装置示意图；（b）等离子体刷与手指接触的照片，刷的喷嘴与手指之间的距离约为5mm[116]

图1.5.19　当喷嘴到被处理物体的距离分别为（a）10mm、（b）6mm、（c）4mm和（d）2mm时的等离子体照片[116]

被处理对象为接地的金属导体，照片拍摄时的曝光时间为100ms

图1.5.20给出了该等离子体刷在放电间隙为6mm和2mm时的电流、电压波形。如图1.5.20（a）所示，此时的放电间隙为6mm，在电流达到主峰值之前（标注4），有一个小的约为10mA电流的电流峰值（标注2）。主峰值的电流约为70mA，电流脉宽约为300ns。当间隙减小到2 mm时，如图1.5.20（b）所示，它只有一个电流峰值，其幅值达到400mA。该电流在约30ns时间内从400mA迅速降到100mA，然后缓慢减小。研究发现图1.5.20（b）的标注1～3，这些峰值电流可能是由于杂散电容导致的，而后面慢慢减小的部分（标注3～4）是由放电回路决定的。通过对电流1～3的积分，并根据所测得的电压，最后可以估算得到杂散电容约为6pF。

图1.5.20　放电间隙为（a）6mm和（b）2mm时等离子体刷的电流、电压波形[116](www.xing528.com)

V1为外加电压，V2为高压电极上的电压，Ion为总电流（有等离子体时），Ioff为位移电流（无等离子体时），V1=7kV，脉宽为800ns，脉冲频率为5kHz，氦气流速为1.5L/min

如前所述，当距离为6mm时，图1.5.20（a）的电流有两个峰值。而当距离减小到2 mm时，只有一个峰值。这个现象可做如下解释。对于距离为6mm的情况，当等离子体从刀片喷嘴（阳极）产生时，刀片前端的正离子导致前方的电场减弱。此外，此时等离子体的厚度很可能比刀片厚（刀片为50μm），这也导致前方电场变弱。因此，尽管一开始随着等离子体往前推进，等离子体前端与被处理金属（地电极）的距离变短，但它不足以补偿由于前两种因素导致的电场的弱化。当等离子体继续往前推进，由于等离子体前端与被处理对象距离的减小起主导作用，电场开始增强，导致等离子体加速推进。这可能是为什么出现两次电流峰值的原因。而对于2mm间隙的情况，第三种因素从等离子体产生就起主导作用，所以只观测到一个电流峰值。

为了进一步了解该等离子体刷的产生机制，采用高速ICCD相机获得了其放电动态过程。图1.5.21和图1.5.22给出了放电间隙分别为6 mm和2mm时的等离子体放电动态过程的照片。图1.5.21和图1.5.22的横坐标时间对应于图1.5.20（a）和（b）的横坐标时间。对于间隙为6mm的情况，等离子体在400ns时开始出现，这对应于图1.5.20（a）的标注1的时刻。然后它的亮度增强，如图1.5.21（b）所示，此时对应于图1.5.20（a）中小电流峰值标注2的时刻。然后等离子体往阴极推进，在500ns时刻到达阴极。也就是说，该等离子体联通该6mm间隙大约用了100ns。从图1.5.21（e）和（f）可以看出，此时的等离子体处于类似于辉光放电状态，其亮度逐渐减弱。

图1.5.21　等离子体刷的高速照片[116]

放电间隙为6mm，图中的时间对应于图1.5.20（a）中的时间，相机的曝光时间为2.5ns

图1.5.22　等离子体刷的高速照片[116]

放电间隙为2mm，图中的时间对应于图1.5.20（b）中的时间，相机的曝光时间为2.5ns

图1.5.22则给出了间隙为2mm时放电的动态过程，其中图1.5.22（a）和（c）对应于图1.5.20（b）中的标注1和2时刻，该等离子体类似于阴极导向的流注放电，它从喷嘴出发到达阴极所需的时间约为10ns。当等离子体到达阴极时，其发光强度迅速增强，之后随着时间逐渐减弱。