等离子体有多种产生方式,主要方式是气体放电。这种方式是通过对气体施加能量使气体分子转变为激发态,继而发生电离。在这一过程中,核外电子由于吸收外界能量从而令原子核失去对电子的约束,进而将气体变为由多种活性粒子组成的非平衡态物质。等离子体中的活性粒子无时无刻不在运动,相互之间发生碰撞。活性粒子之间发生的弹性碰撞不会使粒子系统损失动能,不会导致系统温度改变,也不会产生光子或其他的活性粒子,这种碰撞几乎不会影响等离子体的特性。然而非弹性碰撞则恰恰相反,将使粒子的速度发生改变、导致其所处状态与前一时刻不同、或改变其所带的电荷种类和大小,也可能会产生光子或新的活性粒子,从而影响等离子体的特性。在气体放电后,粒子之间在发生碰撞的过程中会产生大量新的粒子以及处于激发态的粒子或者自由基团,在电场和气流的共同作用下,可以形成射流状的冷等离子体,即冷等离子体射流。

大气压冷等离子体射流的发生装置主要包括气源、等离子体电源和等离子体发生器。常见的工作气体主要包括氧气、氦气、氮气等。等离子体电源主要包括中频交流电源、直流电源、射频电源等。等离子体发生器可依据放电形式的不同分为多种,常见的包括介质阻挡放电、裸电极放电发生装置等。

(1) 介质阻挡放电装置

介质阻挡放电是由多个微放电形成的冷等离子体放电形式,最明显的特点是玻璃或陶瓷等绝缘物质被放置于装置的高压、低压电极间,如图1所示。介质阻挡放电发生装置可按照电极形状、绝缘物质位置的不同分为多种,但放电原理基本相近。

图 1 介质阻挡放电发生装置 

(2) 裸电极放电发生装置

介质阻挡放电的放电过程需要击穿阻挡于电极之间的玻璃等绝缘介质;而裸电极放电的电极直接裸露在放电间隙内,之间并无绝缘介质,放电过程中只需将其间的工作气体击穿。常见的裸电极放电发生装置如图2所示,高压电极与接地电极间并无介质,高压直接作用在裸露的针电极与环电极之间,导致产生的冷等离子体射流具有相对较低的电位。此外,裸电极放电产生的冷等离子体宏观温度较低、且射流更加稳定。

  图2 裸电极放电发生装置