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等離子體代表了一種獨(dú)特的物質(zhì)狀態(tài),它與我們自然界中的物質(zhì)最為常見(jiàn)的三種組成狀態(tài)“固、液、氣”不同,是物質(zhì)的第四種存在狀態(tài)。等離子體在宇宙中的含量接近百分之百,例如存在于恒星內(nèi)部、星云以及行星的大氣層中。但在我們生活的環(huán)境中是個(gè)例外,除了閃電、極光等幾乎不存在自然等離子體。這是因?yàn)榈入x子體的產(chǎn)生和維持均需要較高的能量,正如水從固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變需要吸收熱能一樣。

依據(jù)等離子體所處的氣壓不同,又有低氣壓等離子體,亞常壓等離子體和常壓等離子體。

常壓等離子體射流能夠在開(kāi)放空間直接產(chǎn)生高密度、低溫等離子體,因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注,這一獨(dú)特性質(zhì)使得常壓等離子體射流能夠比低壓等離子體更好地應(yīng)用在各種領(lǐng)域,如材料表面改性、薄膜沉積、生物醫(yī)學(xué)、航空航天和環(huán)境科學(xué)等。與低壓等離子體類(lèi)似,大氣壓等離子體射流可以通過(guò)多種方法產(chǎn)生,如直流、低頻交流電、射頻和微波。不同的是,由于無(wú)需利用低氣壓放電的真空系統(tǒng),設(shè)備的整體便攜性大大提高,同時(shí)成本大大降低。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是,由于等離子體余暉現(xiàn)象,等離子體的衰減存在一個(gè)過(guò)程,在失去維持等離子體的能量后還能存在一小段時(shí)間。又因工作氣體高速流動(dòng),裝置內(nèi)的等離子體被后續(xù)的氣體推出強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域形成射流,這樣一來(lái)等離子體能夠在開(kāi)放的自由空間中維持。因此,等離子體射流的應(yīng)用具有靈活性,能夠在處理過(guò)程中適應(yīng)被處理物的不同尺寸和形狀,而不受這些特性的制約,相較于其他類(lèi)型等離子體源有著更廣的應(yīng)用前景。

依據(jù)等離子體的激勵(lì)源不同,又可分為直流等離子體、低頻交流等離子體、射頻等離子體以及微波等離子體等。其中使用微波激勵(lì)來(lái)產(chǎn)生等離子體有很多優(yōu)勢(shì),例如無(wú)電極污染、可控性更強(qiáng),且有充分的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明,微波等離子體的活性物種密度更高。

微波等離子體射流的產(chǎn)生

等離子體的放電形式可以按激勵(lì)源的工作頻率劃分,包括低頻等離子體、射頻等離子體以及微波等離子體,其中微波的頻率在300MHz-300GHz之間。用于產(chǎn)生等離子體常見(jiàn)的微波源為915MHz和2.45GHz兩個(gè)頻率。

等離子體是由氣體分子被擊穿電離而成的呈電中性的物質(zhì),主要由電子、離子、活性自由基、光子等成分組成。根據(jù)微波電磁場(chǎng)基礎(chǔ)理論,微波等離子體的產(chǎn)生主要是依托于微波諧振腔產(chǎn)生的駐波對(duì)于電磁場(chǎng)的疊加增幅從而產(chǎn)生高強(qiáng)度電場(chǎng),擊穿工作氣體從而產(chǎn)生等離子體。

在進(jìn)行微波等離子體射流激發(fā)時(shí)需要先將工作氣體通入諧振腔內(nèi),微波功率源通過(guò)同軸線(xiàn)傳入進(jìn)入諧振腔內(nèi),并在內(nèi)電極尖端開(kāi)路位置形成駐波,此時(shí)形成的高強(qiáng)度電場(chǎng)首先會(huì)將工作氣體擊穿并噴射至噴嘴位置從而在諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的等離子體。