极微等离子体，电子密度

如前所述，通常单个大气压等离子体射流的截面在毫米量级，它能够满足部分应用的需求。对于需要更大面积的应用，可以采用等离子体射流阵列的方式来实现。另一方面，有的应用则需要更加小的处理截面，从而可以实现对处理对象的精准处理。

通常的微放电，等离子体的空间尺寸大多在百微米量级的水平[140～146]。其电子密度通常在1011～1015cm-3的量级。随着放电等离子体尺寸的减小，产生等离子体变得越加困难。这是因为当放电尺寸减小时，电子密度随之增加，从而使德拜半径小于等离子体尺寸，否则等离子体壳层的电荷分离就有可能影响整个放电区域，导致等离子体微观失去电中性。但是大气压下产生高密度的微等离子体是极端困难的，这主要是由于微等离子体的极大的表面积与体积比，导致其带电粒子等快速消失。

本节将先对一个极微等离子体作简要的介绍。该等离子体产生在一个半径为3μm的介质管中。通过采用峰-峰值为60kV的交流电源驱动，产生了长达2.7cm的极微等离子体，其电子密度达3×1016cm-3，电子温度约1.5eV。计算可得其德拜半径约50nm，德拜球内的电子数为15～20。该微等离子体壳层很可能是高压壳层，其真正的壳层厚度可能是德拜长度的数十倍。因此其壳层的尺寸与等离子体尺寸相当。该等离子体也许不满足电荷中性条件。

图1.7.1（a）给出了该装置示意图[147]。当电源打开，并通入Ar气，即可产生一个长约2.7cm，半径为3μm的极微等离子体。

图1.7.1　极微等离子体

（a）实验装置示意图；（b）Ar等离子体照片[147]

图1.7.2（a）给出了放电的电流、电压波形。从图中可以看出，一个电压周期有两个电流脉冲。电流脉冲的峰值在0.1～0.25A之间。图1.7.2（b）给出了单个电流脉冲的波形，从图中可以看出其半高宽约30ns。根据电流电压波形可以估算注入到等离子体中的功率，约为1.8 W。但是其峰值电流密度和功率密度高达3.5×105～8.8×105A/cm2和2.3×106W/cm3。通过碰撞辐射模型[148]，利用Ar的发射光谱，如图1.7.3所示，可估算出其电子温度约为1.5eV。然后根据Ar的696.5nm的辐射展宽，如图1.7.4所示，即可得出其电子密度约为3×106cm-3。

图1.7.2　放电电流、电压波形[147]

（a）多电流脉冲；（b）放大的单个电流脉冲

图1.7.3　Ar在690～850nm区间的辐射光谱[147]

图1.7.4　Ar极微等离子体电子密度测量

（a）电子温度分别为10000K和40000K时斯塔克展宽与电子密度之间的关系；（b）Ar的696.5nm谱线实验与拟合的结果[147]

此外，如前所述，当管径很小时，它将导致放电击穿困难。图1.7.5给出了击穿电压与管径之间的关系。从图中可以看出，当管径大于200μm时，击穿电压不随管径变化而发生显著变化；当管径缩小到100μm时，击穿电压开始上升，并随着管径的进一步减小而急剧增大；当内径减小到3μm时，击穿电压增大到40kV。Jogi等最近也研究了管径对放电击穿电压的影响，当管径从500μm减小到100μm时，他们发现氦气的击穿电压从6kV增大到14kV[149]。

图1.7.5　击穿电压与管径之间的关系[147]

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图1.7.6　管内径变化的微等离子体装置

（a）实验装置示意图；（b）放电管照片；（c）等离子体照片[150]

图1.7.6给出了一个内径逐渐减小，而不是保持一定大小的微等离子体装置[150]。其内径从开口处的245μm逐渐减小到只有6μm。管的内径随离左端开口处距离的变化情况如图1.7.7所示。图1.7.6（b）给出了所产生等离子体的照片。此时等离子体长约1.5cm。为了更清楚地了解等离子体的形态，采用微距镜头拍摄了该等离子体不同位置的照片，结果如图1.7.8所示。从图中可以看出，在离开口处较近的地方，管径较粗，此时等离子体仅在中间产生，靠近管壁为暗区。只有在4～5 mm后等离子体才基本充满管内。

图1.7.7　管内径随离左端开口处距离变化而变化的情况[150]

图1.7.8　不同位置的等离子体照片[150]

利用氢的656nm谱线，根据其斯塔克展宽，如图1.7.9所示，可得其在离开口端7mm处电子密度为4.3×1015cm-3。进一步通过空间分辨的光谱测量，可得电子密度的空间分布，如图1.7.10所示，其在离喷嘴1.1cm处可达1016cm-3。

图1.7.9　实验与拟合所得的离开口端7mm处Hα谱线在656nm的展宽[150]

光栅为1200g/mm，狭缝为50μm

图1.7.10　测量所得离开口端不同位置的电子密度[150]

此外，为了获得该等离子体的推进速度，可以通过两个光电倍增管（photomultipliertube，PMT）分别采集等离子体在不同位置的发光动态特性，并根据各位置不同的发光延迟即可获得等离子体在各位置处的推进速度。图1.7.11给出了两个PMT分别采集的等离子体的典型发光波形。图1.7.12给出了根据该波形获得的等离子体的推进速度。从图中可以看出它在105～106m/s的量级。

图1.7.11　典型的PMT波形[150]

图1.7.12　各位置处等离子体的推进速度[150]