气体放电是处于高压电场的气体电离产生电子及带电粒子,此方法是产生等离子体最方便的方式,而气体放电产生等离子体的参数又与其放电方式有着直接的联系。当气体被完全电离时,产生的等离子体的温度较高;而部分电离时,由于电子温度与重粒子温度相差较大,因此其温度较低。大气压低温等离子体生成方式包括电晕放电、介质阻抗放电、微波放电等,下面进行介绍这三种放电方式的工作原理。

(1) 电晕放电

在极不均匀电场中,电晕放电是最常见的放电方式,因其在放电电极的尖端产生类似日晕的放电图像,所以此种放电称为“电晕”。电晕放电的过程中伴随着丝丝的声音及圆球状的淡紫光环,时不时的也能闻到臭氧,且不受外界因素的影响,放电的维持只与电源有关。由于电场强度是极不均匀的,所以放电电极的尖端处电场强度最强,此处周围的气体氛围被电离,且电离程度较高。而远离电极尖端区域的电场强度会快速下降,随着距离的增大,周围气体氛围被电离的程度变低,气体只会被部分电离,因此产生的等离子体是冷的。一种典型的电晕放电装置,如图2.2所示;此装置的放电针电极连接脉冲调制高压直流电源的阴极,阳极连接电极板,这样连接的好处是两端的放电电极之间不易击穿产生电弧,且更易产生电晕放电。电晕放电的放电强度是微弱的,放电形成的是常见的低温等离子体,在电除尘、废水处理等领域有着广泛的应用,但电晕放电的区域较小,被处理物体的面积受到限制。为了增大其处理区域,研究员把放电电极用面积大的金属板替代,同时为了防止两金属板之间形成电弧放电,一般在金属板之间放置绝缘介质板,从而形成了介质阻挡放电。

图1. 1电晕放电的典型装置示意图

(2) 介质阻挡放电

介质阻挡放电与电晕放电最直接的区别是两个放电电极之间存在除了空气绝缘介质外,还有其它的绝缘介质;随着绝缘介质所处的位置不同,其介质阻挡放电的等离子体的形貌也不同。由于介质阻抗放电的两放电电极之间不发生击穿现象,所以放电区域的气体被部分电离,但气体未失去其绝缘性能。几种典型的介质阻抗放电装置,如图2.1所示;高压交流电源的一端连接放电电极的高压侧,另一端连接地电极,两电极之间在高电压的作用下形成高压电场,当电场强度达到电离气体的阈值时,由于绝缘介质板的存在,不发生电弧现象。处于放电区域的气体被部分电离形成大气压低温等离子体,其产生的低温等离子体的作用面积比电晕放电的大得多。而且介质板表面受到电场力作用会形成与感应电场极性相反的电场,从而一定程度上抑制了击穿现象的发生;但当电压过高时,绝缘介质板表面感应的相反极性电场不足以抑制击穿,则会发生电弧现象。因此,介质阻抗放电要严格控制施加的电压值,在正常工作情况下,放电形成大气压低温等离子体。

图2. 1介质阻挡放电的典型装置示意图

(3) 微波放电

微波放电与电晕放电、介质阻挡放电有着本质的区别,电晕放电和介质阻抗放电是利用施加几千伏或者更高的电压形成高压电场,从而电离气体产生等离子体;而微波放电是利用微波能量形成较高的电场强度,此方式击穿气体形成的等离子体射流具有温度低、活性粒子成分丰富等独特优势,更受到人们的喜爱。微波放电是由微波电源经同轴传输线传递微波能量,利用放电器的特殊结构,使放电区处于驻波的波峰处,在较窄的喷嘴形成较强的电场强度。如图3.1是典型的微波放电装置示意图,其装置是同轴线谐振器的一种;微波电源连接同轴传输线,将微波能量经微型同轴连接器输入至放电器的谐振腔内,微波能量在谐振腔的作用下转化为气体的内能;同轴线谐振器的开路端在微波能量的激励下产生较高的电场强度,经过喷嘴的载气被高电场强度电离形成等离子体。而工作载气与周围气体形成压强差,促使周围的空气向喷嘴口作定向流动,在压强差气流的牵引下形成一定长度的等离子体射流。为了能够放电产生大气压微波低温等离子体,则需要调节微波电源的工作参数、气体流速。当放电器与微波电源组成的放电系统处于谐振状态时,通过改变实验条件,放电产生的等离子体射流参数也随之变化,形成大气压微波低温等离子体。

图3. 1微波放电的典型装置示意图