等离子体射流及其发生器研究进展

第5 期

机电技术

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等离子体射流及其发生器研究进展古杨欢刘汝兵王萌萌林麒(福建省等离子体和磁共振重点实验室、厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门 3 1 0) 6 0 5摘要：等离子体射流是近年来学术界兴起的新型研究领域。文中阐述了等离子体射流的基本概念和分类以及其技

术优势，并从电极结构和驱动电源分类上重点介绍了国内外等离子体射流发生器的研究现状和前景展望。关键词：等离子体射流；发生器；电极结构；驱动电源

中图分类号：T 6 0 3文献标识码：A文章编号：1 7 .8 12 1 )51 70 P 9 59 6 24 0 (0 30—4 -6

大气压等离子体射流是近年来逐渐兴起的一种新等离子体放电技术，是目前国内外等离子体科学与工程领域的研究热点之一。传统用于材料

充分碰撞，系统没有达到热平衡(又称非平衡等离子体射流),电子温度远远高于离子、中性粒子温度，这类具有电子能量高、离子能量较低、宏观

表面处理的低温等离子体放电系统多采用平行板容性耦合放电装置，放电间隙通常为毫米至厘米

气体温度仅有几百 K甚至接近室温特点的冷等离子体射流适用于表面改性、材料处理、生物医疗等方面。

量级，很大程度上限制了被处理物体的尺寸。同时被处理物体的复杂形状也会对放电模式和稳定性产生影响。了克服这种不利因素带来的限制，为 等离子体射流技术应运而生，利用气流和电场的

等离子体射流按其产生放电机理可分为DB放电等离子体射流、直流 (括辉光、弧光) D包

放电等离子体射流、火花放电等离子体射流、流柱放电等离子体射流等。由于这些概念和等离子体产生机理分类的概念相同，故不再赘述。 等离子体射流的分类往往根据其发生器的不同区分较多，按其电极结构类型分类有针环式、 环一环式、悬浮电极式、单针电极式和同轴电极式等；按其驱动电源类型分类有射频微波等离子体射流、正弦交流高压电源等离子体射流、直流高压电源等离子体射流和脉冲电源等离子体射流

作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，在无约束的外界环境中作定向流动，形成

等离子体射流【。 l J与传统方法相比，大气压等离子体射流由于可在大气环境中产生，具有操作简单、成本低、 无废弃物等优点，尤其在温度敏感材料、复杂形状工件等表面处理上更显示出独特的技术优势。 这种方法因气流的喷射可以把放电空间产生的一些活性成分、激发态粒子、甚至荷电粒子导出放电区域，使放电区域与工作区域分离，因此更具

等。根据此分类下文详细介绍国内外等离子体射流发生器及其所应用的领域研究情况。

有实用性。在生物医疗应用方面，由于等离子体射流的气体温度低、活性高、操作简单、不限制尺寸等优越性越来越受到人们的关注和兴趣【。 2]

2等离子体射流发生器及其应用19 9 2年，日本东京工业学院 Kon ma等人利 iu

用 l. z射频电源发明了一种新的等离子体 35 MH 6发生器(图 1所示)如，并成功产生第一个大气压低温等离子体射流【。这种装置主要由两个同心 3】圆柱构成内外电极，以惰性气体混合物为工作气

1等离子体射流的分类

.

等离子体按其电子温度 1 0￣ 0O 0C为界，分为

高温和低温等离子体。高温等离子体如核聚变、 太阳核心。因此工业应用的大多数属于低温等离子体范畴。低温等离子体射流进一步又细分为热、 冷等离子体射流。热等离子体射流中各种粒子达到热平衡，电子、离子、中性气体温度接近，这类具有高温、高速、高能流密度特点的射流，适用于材料合成、薄膜制备、定向刻蚀、喷涂及熔融焊接等方面；冷等离子体射流中粒子没有经过

体，用 DB利 D方式获得宏观温度 204 0 0- 0℃范围 -内的大气压冷等离子体射流，要用于硅片刻蚀、主

硫化橡胶处理、二氧化硅薄膜沉积等方面研究。 19 97年，美国 L sAl s国家实验室研究 o a mo人员 S l n4 e wy[研制出一种大气压冷等离子体射流]发生器f图 2所示)如，并将其命名为 AP J mo P( At .sh r rsue ls t p e c esr ama e) i p p j。该装置两电极间没有

’福建省自然科学基金资助项目(0 0004 2 1J 1 1)作者简介

:杨￣ (99 ) 18 -,男，硕士研究生，研究方向：等离子体放电特性研究。

第 5期

杨欢等：等离子体射流及其发生器研究进展

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优势，而且前景非常可观。因此无论在理论层面

还是在实验研究层面，对大气压等离子体射流进行深化的研究都是非常有必要的，价值也是非常之大。

■图 1微米量级大气压等离子体射流发生器 4

电头云= ’—皇 I进流 =气探—

高 电流探探压极L高头压头\苎登/生

224脉冲电源等离子体射流发生器 ..近几年来用脉冲电源驱动产生低温等离子体射流引起了许多人的注意。短脉宽的脉冲电压能够加速气体反应，使电子能量分布向高能的尾部漂移，不仅可以提高等离子体的化学活性，还能降低等离子体的气体温度。脉冲电源通常的脉宽

实验装置示意图，石英管的内径和外径分别为2 f和4 l mr,针筒的内 径6 mm,喷嘴的直径 1 .mm,石英管到喷嘴的距离为 1 m 2 c

图 1单电极大气压低温等离子体射流装置 5

在纳秒量级，快速变化的短脉冲驱动产生的等离子体射流接近室温。卢新培【】研制出一种方便 2等 安全易操作的单电极大气压低温等离子体射流装置(图 1如 5所示)。这种等离子体射流装置外面有

然而对等离子体射流的机理性研究和诊断等理论方面还不够深入，尤其是控制关键等离子体参数、射流等离子体相互作用、射流模式等方面，可以说目前还处在初期阶段。其次更深层次的研

陶瓷管包围，起到绝缘作用，而且产生的等离子体射流峰值电流约为 3 0mA,气体温度约为 3 0 6 0

究离不开实验装置和驱动电源，将来的发展趋势是研制各种电源或者电源组合，以及寻找适用于

K,对人体不会造成伤害，应用于生物医学安全可靠。

不同应用领域的等离子体发生器 (括结构、形包状、大小等 ),找到最佳的放电条件 (电源参数、气体参数、时间参数等)究和发展新型诊断手研

3前景展望大气压等离子体射流作为一种新的等离子体发生技术，有着不可比拟的优点，方便快捷又比

段，提出有效的控制技术

,进一步地丰富和发展等离子体射流理论和应用潜力，这将具有科学的意义和价值。

较经济，在诸多领域都有着广泛的应用和明显的

参考文献： [】聂秋月. 1大气压冷等离子体射流实验研究[ . D]大连：大连理工大学， 0 0 2 1. [】熊紫兰， 2卢新培，鲜于斌， .等大气压低温等离子体射流及其生物医学应用[ . J科技导报， 0 02 (5:715] 2 1, 1) 0 . 8 9[】K iu Ohu oH HahmooT Io t e a. v lp n n p l a o f co em ls e ea r 3 on maH, k b , si t,n maaK, t 1Deeomet dapi t no mi b a pamagn rt . a ci a r oAp 1 h sLet1 9, 0 8 - . p . y . t 2 6: 8 P .9 1 6 1 7

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