大气压等离子体射流（1）物理基础

前面讨论的都是以惰性气体为工作气体的等离子体射流装置。但惰性气体一方面昂贵，另一方面不是所有的环境下都可获得，因此如果能用空气作为工作气体，对许多应用来说就极为重要。但空气放电很容易向电弧放电模式转换，导致气体温度很高。尽管如此，人们还是研究了多种空气等离子体装置。下面将对这些装置作简要介绍。

图1.6.1给出的是一个直流驱动的空气等离子体射流装置示意图及所产生等离子体射流的照片[117]。中间的氧化铝薄片厚度为0.5mm，它中间的孔直径为0.8mm。阳极和阴极均采用铜制成。高压电极通过一个0.5 MΩ的电阻与直流高压电源相连。当电压调到8kV，空气流速为8L/min时，该装置产生一个长约1cm的空气等离子体射流。如果换为N2作为工作气体，则在同样的电压和流速下可产生长达5cm的氮气射流。此外，从图1.6.1（d）可以看出，该射流可以直接跟人体接触，没有任何热感或者电击感。

图1.6.1　直流驱动的等离子体射流装置

（a）为实验装置示意图；（b）和（c）分别为采用空气和氮气作为工作气体时的等离子体照片；（d）为手指与该等离子体接触的照片，手指离喷嘴的距离为1cm[117]

对放电的电流、电压波形测量后发现，不管是采用空气还是氮气作为工作气体，它们都有两种放电模式。具体放电模式由电压和气体流速决定。其中，一种放电模式为自脉冲模式，其电流、电压波形如图1.6.2（a）所示。另一种模式为直流放电模式，此时电极间的电压约为0.5kV，对应的放电电流为20 mA。当改变电源电压或者气体流速，将出现不稳定放电，放电在自脉冲与直流模式之间转换，此时的电流如图1.6.2（b）所示，此时的气体流速为2L/min（Va=8kV，R0=0.5MΩ）。当进一步减小气体流速时，放电转换为直流模式。

图1.6.2　不同放电模式下的电流、电压波形

（a）稳定自脉冲放电模式下的电流、电压波形；（b）处于自脉冲与直流模式转换的非稳态转化时的电流、电压波形[117]。电源电压为8kV，虚线Vb为电极之间的电压，氮气为工作气体

图1.6.3　自脉冲模式下对应不同电源电压时的等离子体照片，氮气流速为8L/min[117]

图1.6.3给出了不同放电电压时的等离子体照片。氮气的流速为8L/min。从图1.6.3中可以看出，随着电源电压的降低，射流体积逐渐减小。与此同时，自脉冲的频率也显著变化，如图1.6.4所示。随着电源电压的升高，放电呈现几种模式。当电源电压Va小于2kV时，没有放电发生；当电源电压增大到2～3kV时，放电处于不稳定模式；当电压继续增加到大于3kV时，放电呈现稳定的自脉冲模式。放电周期从3kV时的105μs降低到10kV时的12.1μs。

图1.6.4　自脉冲周期随电源电压的变化情况，气体流速为8L/min[117]

此外，放电特性与放电模式也受气体流速的影响。如图1.6.5所示，对固定的电源电压8kV，随着气体流速的减小，等离子体射流的长度逐渐变短。当气体的流速为0.5L/min时，等离子体的颜色从黄色变为白色。此时放电从自脉冲模式转换为直流模式。图1.6.6给出了在电源电压固定为8kV时放电周期随气体流速的变化情况。当气体流速低于1L/min时，等离子体工作在直流放电模式；当气体流速增加到1～2.3L/min时，放电呈现不稳定的过渡模式；当继续增加气体流速到大于2.3L/min时，放电保持在自脉冲模式。(www.xing528.com)

图1.6.5　不同氮气流速情况下的等离子体照片，电源电压固定为8kV[117]

图1.6.6　在电源电压固定为8kV时放电周期随气体流速的变化情况[117]

为了更好地了解该等离子体的电特性，图1.6.7给出了该装置的简单的等效电路。该等离子体用电阻Rplasma代替。当该等离子体工作于直流模式，开关Splasma一直保持在闭合状态，当等离子体工作于脉冲放电模式，电路击穿时，Splasma闭合，电流降到零时，Splasma打开。回路中电缆的电容Ccable和该装置的电容Cdevice分别为30pF和89pF。高压探头的等效电容Cprobe和等效电阻Rprobe分别为3pF和100 MΩ。

图1.6.7　装置的简单等效电路[117]

等离子体用电阻Rplasma代替，回路电缆电容Ccable=30pF，装置电容Cdevice=89pF，高压探头的等效电容Cprobe=3pF，等效电阻Rprobe=100 MΩ[117]

根据该模型，对于自脉冲放电时的充电周期T，对应于开关Splasma打开状态，可以写为

这里，R为回路的总电阻，约为0.5 MΩ；C为回路的总电容，它是电缆电容、装置电容、高压探头的电容之和。

图1.6.8给出了在固定气体流速为8L/min时击穿电压随电源电压的变化情况。对于电源电压为3kV，击穿电压Vbr为2.5kV。当电源电压增加到10kV时，击穿电压降低到1.6kV。这个击穿电压Vbr的变化是由于记忆效应导致的。当电源电压越高，放电周期越短，则上一次放电导致的气体加热，以及残留的带电粒子和活性粒子浓度越高，因此击穿电压越低。

图1.6.8　氮气流速为8L/min时击穿电压Vbr随电源电压Va的变化情况[117]