【《大气压等离子体射流的分类与产生方式文献综述》5100字】

大气压等离子体射流的分类与产生方式文献综述射流装置的基础电极结构是等离子体产生方式和射流形态的决定因素。通过控制电极几何形状、其数目与种类的组合以及是否使用介质材料，现已对样式繁多的等离子体射流装置进行了研究。2008年，聂秋月科研组[3]所研究的一种双针电极氩气等离子体射流装置，设计出将加正弦电压的一个针电极的组合引入另一个悬浮的针电极的构造，进行研究实验发现，通过引入悬浮的针电极，能使等离子体放电更稳定，射流形成的长度更长。除了控制电极不同的几何形状外，进以对各类形状电极种类复合组合，等离子体射流从电极组成上大致确定为以下几种常用装置组类型：单/双环电极结构射流（a）、单针电极结构射流（b）、针-环电极结构射流（c）、针/环-板电极结构射流（d）。图1.1中分别绘出了如上几类典型放电装置的等离子体射流装置。图1.1使用各组极板的等离子体射流结构示意图Fig.1.1Schematicoftheplasmajetswithdifferentelcectrode另外按照有无包含介质层，又可将使用装置划分出三类等离子体射流装置，分别为无介质电极射流（dielectric-freeelectrodejets）、介质阻挡放电射流（DBDjets）、类似介质阻挡放电射流（DBD-likejets）[4]。一定程度地引入介质材料的电极结构的等离子体射流是目前最为常见的射流装置。等离子体射流电极应用中存在介质层时，放电过程与无介质的射流相比更为稳定，因为介质层对于放电中演化为弧光放电的行为具有的明显的抑制效果。同时较小的输入功率决定了中性气体放电后温度低，对于处理温度敏感性材料更为适用。人们也通过尝试优化介质材料和改变装置电极结构，优化等离子体射流源来得到更可控、更有效的放电。2013年，HuJ.T.研究组[5]研究了单个悬浮针电极加入到环-板电极结构射流的影响，发现悬浮针电极在和环电极之间的放电，能使等离子体射流的触发电压下降较大幅度，同时还研究了不同介质层和金属材料组成的悬浮电极以及环电极和悬浮电极间距的尺度和产生射流的关系。钱沐杨[6,7]研究构建了一型双高压电极驱动等离子体射流，是由顶部的针电极、中部的环电极以及底部的平板电极构成的装置，平板电极、针电极接地，环电极上加上高压电压构成双高压电极，发现在相同电压的结果下，该类电极驱动相对于单针/环电极结构，放电过程更稳定，并且射流中产生较高的活性粒子氧原子的浓度。同时期，王尚民[8]新建了一型级联式三电极等离子体射流装置，由驱动电极、悬浮电极和接地电极共同构成，研究发现放电电压以及维持电压大大降低，而且射流的体积和横截面尺度明显增加。对于激发和维持放电过程，根据的驱动电源的频率（从直流或直流脉冲到GHz）范围划分，等离子体射流又有几种类别：直流[9]或直流脉冲驱动等离子体射流[10-13]、交流驱动等离子体射流[14-16]、射频驱动等离子体射流[17-19]、微波驱动等离子体射流[20-25]。对各类驱动方式进行的实验研究显示，即使是有时在装置内的电极结构相同的情况下，但若各对照组的驱动方式不同，放电时产生的等离子体射流会出现显著的差异性。等离子体射流的驱动方式，在通过直流电源和微波电源驱动时，一般能使产生的等离子体密度高。然而这两种方式中气体温度不稳定，只适用于对气体温度不敏感的处理对象的情况。脉冲驱动等离子体射流相比交流驱动高等离子体射流，脉冲激发的射流的长度更长、电离率更高、气体温度更稳定（基本处于室温水平）、活性粒子更多、杀菌效果更好。因此，实际研究应用中，特别是面对温度敏感型处理对象，较多采用的是脉冲驱动形式。相比低频（kHz）驱动，射频驱动（MHz）能够产生高密度的等离子体射流，但是射流的长度短、气体温度高，使得射流不方便用来处理材料，尤其是温度敏感性材料。近些年在结合各驱动电源的优势的尝试后，脉冲调制、波形叠加等途径开始被引进装置设计用以控制等离子体射流。在此思路下，ZhouY.J.组[26]构建了一种双频率驱动射流装置，由顶部的针电极和底部的环电极构成，并在前后两个电极上各加频率为50kHz的低频正弦电压和频率为2MHz的射频正弦电压，结果发现这种条件下，该装置产生的等离子体射流同时具备低频驱动射流和射频驱动射流的优点，不但射流长度充分长而且等离子体密度高。正如上所述，优化射流装置的电极结构，或是充分利用不同的驱动方式，可以使得射流放电更加得稳定，粒子密度更高，射流长度更长。即便如此，关于当下等离子体射流装置的已有设计中所产生的大多数等离子体射流，其径向尺寸人仍在几个毫米的大小。应用该级别尺度的射流对于某些特定的领域可以展现出特有的优势，例如，在生物医学领域，该类小尺寸等离子体射流能在特定的部位精确地与处理对象发生作用，正好减少了医学上受感染的风险。但是，对于其他一些领域，这种级别的等离子体射流却因为尺寸表现出明显的不足。例如当面临的对象是微电子器件、纳米器件又或者是大面积材料时。为了针对这一挑战，研究工作开始转向将等离子体射流往微型化和大型化这两个方向的设计。现在把等离子体射流按照其空间尺度划分，可以分为微米或亚微米级型微等离子体射流[27,28]，毫米量级型等离子体射流[12,14]和大尺度型等离子体射流[29-31]这三类。通常把常规的毫米量级型射流的尺度缩小到微米或者亚微米量级，便可以得到微型化的射流。而在大型化射流的角度，提升射流源装置的尺寸是目前常见的途径，此外还有将多重毫米量级等离子体射流组合排列特定阵列型形成的等离子体射流阵列。起初在该阶段研究中，人们认为仅需紧凑地排列若干微尺度射流于一定区域，每个微型射流既然可以各自形成放电，对于各通道内所形成的等离子体，聚合在一起就能够传播出一束射流效果均匀并且面积足够大的等离子体射流束。可是通过大量的实验研究发现，这样的组合存在其他效应影响射流束的效果，例如放电时的射流束在各个通道之间存在强烈的相互作用，在均匀性上并不能得到理想的保证。Cao等人[29]构建了“类蜂巢”结构的等离子体射流阵列，放电中通道之间强烈的相互作用使得射流与射流相互排斥开或者是相互吸引耦合。J-YKim和S-OKim等人[30]在实验上同样观测到了这种耦合现象，研究中，作者构建了一个由八个介质管排列成的等离子体射流阵列，其中一个内外直径分别为2、3mm的粗介质管位于阵列的中心处，其余的七个内外半径分别为1、2mm的细介质管围绕着粗介质管排列，当射流部分放电离开介质管后，中间的等离子体射流会吸引外圈介质通道喷出的七个等离子体，在此作用下到一个高强度的放电在阵列的中心区域汇聚起来，该放电的强度要明显超过单个射流在完全相同的条件下所能达到的强度，说明了外圈等离子体射流束对中心处的射流放电起了增强作用。但同时等离子体射流阵列中的射流之间的相互作用，也会严重影响放电系统的稳定性以及放电在空间上的均匀性，从而使得阵列型等离子体源难以被控制和应用。为了得到稳定性好且均匀性高的阵列型等离子体射流，深入研究射流束之间的相互作用是必不可少的。S-OKim等人[32]在原先的实验装置上进行改进，增加外圈介质管的数目，尽管最外圈的介质管和中心点之间的距离变大了，但是它们依旧不能产生独立的射流，相反，放电还是会被卷进中心处的等离子体羽中，并使得等离子体羽的放电强度增大，同时实验结果还显示随着外圈介质管数目的增加，这种增强效果会随之增加，从而使得放电产生更多的带电粒子。2012年，J-YKim和S-OKim等人[33]还研究了射流之间出现耦合现象的条件，研究发现当工作气体的流速在1-3.5SLM范围内时，射流阵列里的单个射流的放电会耦合在一起；而当气体的流速超过3.5SLM时，不管外加电压如何变化，从宏观上看射流之间不再相互影响彼此，此时射流阵列中每个射流的放电通道都独立存在，在空间上彼此平行分布。同年，任春生课题组的范倩倩等人[46]设计了一个七针六角阵列的大型化射流源，在加上正弦电压后，放电空间内七个射流几乎同时产生，实验结果显示工作气体的流动速度对等离子体的放电过程有着明显影响，当氦气的流速为4SLM时，七个射流的长度都在1.8到2.0cm范围内，并且在射流的头部显现出了轻微的排斥；然而当气流流速减小为2SLM后，七个射流的长度都明显的缩短了，同时射流头部之间相互排斥的现象也更加得明显，作者把这种排斥现象解释为库伦排斥效应。在Ghasemi等人[34]的实验中他们也同样观测到了这种排斥现象。根据不同的气体的类型，等离子体温度、带电粒子数、电场以及化学活性粒子等等离子体特征可能差别很大。物理上，等离子体射流的击穿机理强烈地依赖于电子倍增过程，它控制着放电从汤森击穿到流光击穿的过渡。而电场下气体的汤森电离系数和带电粒子的迁移系数又都取决于气体的性质，因此气体的种类决定了电子倍增、击穿机制以及放电模式。另外，不同的气体，放电生成不同的等离子体粒子，导致处理材料的效果也不相同。按照工作气体的种类，可以把射流分为惰性气体等离子体射流，氮气冷等离子体射流]以及空气等离子体射流。目前最为常见的是惰性气体射流，如氦气等离子体射流、氩气等离子体射流等。相对其它气体而言，惰性气体是单原子气体，并且其亚稳态的能级很高，因此更容易得到均匀、稳定的放电。然而从经济实用的角度出发，昂贵的稀有气体提高了等离子体射流的应用成本，因此，人们开始关注如何使用氮气或者是空气来获得等离子体射流。氮气或空气等离子体射流实现的难点在于放电容易从辉光放电或者丝状放电转化为电流密度高的弧光放电，从而使得放电系统中的气体温度过高，并不利于实际应用。同时空气中由于电负性气体氧气的存在，电子会被氧气吸附从而使得放电难以维持。目前，控制降低放电的热不稳定性的方法是通过提高气体流速或者减小放电尺寸来实现[35]。总体而言，尽管惰性气体等离子体射流相对而言更容易产生，但是它并不像空气等离子体射流那样具有很高的化学活性，因此在实际应用过程中，人们一般是通入少量的活性气体到惰性气体中，后者作为运载气体从而被用作等离子体的生成气体。例如[36]，生物应用领域一般使用的是双氧水或氧气；刻蚀领域中则会通入四氟化碳或氧气。不仅是工作气体巨大地影响等离子体射流放电，还有着周围的环境气体。占比绝大多数的研究中，等离子体射流到开放的周围空气环境中经过的都是喷射状态，该状态下周围空气进入射流中的对流扩散，影响了等离子体射流的传播。Raja课题组[37]通过数值模拟发现氦气-空气混合层对等离子体射流的传播起了引导作用，当环境气体为氦气时，放电从介质管出来后会继续沿着介质管外表面传播，而非向前传播形成一个等离子体射流。而且在某些特殊情况下，扩散进入等离子体射流中的环境空气在实际应用中并无益处，例如为了通过等离子体射流分离材料中的氧气，就需要通过利用屏蔽气体或其他途径先将氧气或周围环境气体排除。周围环境气体的改变，完全会影响等离子体射流的特性。卢新培科研组[38]于2013年报道了周围环境气体（氮气，氧气或者空气）对氦气等离子体射流传播的影响，如图1.1(e)所示。从图中可以看出，当氦气等离子体射流在氮气环境气体中传播时，等离子体射流的放电结构显现出不寻常的类羽片形状，并且等离子体射流的长度在三种环境气体下的差别很大，在氮气中等离子体射流长度最长，而在氧气中长度最短。2014年，该项目组[39]继续对不同工作气体在不同环境气体中的传播现象进行试验，实验显示，氦气等离子体射流在氩气和氮气环境气体中都显现出这种类似羽片形状的放电形态，而氩气等离子体射流在氦气环境中则呈弥漫型放电。作者最后总结认为，周围气体中不含电负性气体是氦气射流产生类似羽片形状的等离子体羽的必要条件。邵先军项目组[40]对氩气作为工作气体进行了实验研究，氩等离子体射流在实验中表现的弥漫型放电，放电形态呈锥形，在密度接近的空气中传播时受浮力重力的影响不如氦气明显，实验显示羽片长度主要取决于氩气通道的形态。图1.2（e）&（f）显示了两种工作气体的放电形态的对比。图1.2（e）&（f）不同环境气体中的氦气等离子体射流&三个流速下的氩等离子体羽Fig.1.2（e）&（f）Heplasmajetsindifferentambientgas&Arplasmaplumeatthreeflowrates根据电极结构、驱动电源、装置尺寸以及气体种类这些用来激发等离子体射流的因素，能够大致划分大气压等离子体射流类型，并且从这几个方面来优化大气压等离子体射流，能够令该装置更大程度地符合各实际中的应用情形。参考文献[1]LuX.,JiangZ.,XiongQ.,etal.An11cmlongatmosphericpressurecoldplasmaplumeforapplicationofplasmamedicine[J].Appl.Phys.Lett.,2008,92:081502.[2]ColletG.,RobertE.,LenoirA.,etal.Plasmajet-inducedtissueoxygenation:potentialitiesfornewtherapeuticstrategies[J].PlasmaSourcesSci.Technol.,2014,23:012005.[3]NieQ.Y.,RenC.S.,WangD.Z.,etal.AsimplecoldArplasmajetgeneratedwithafloatingelectrodeatatmosphericpressure[J].Appl.Phys.Lett.,2008,93:011503.[4]LuX.,LaroussiM.,PuechV.Onatmospheric-pressurenon-equilibriumplasmajetsandplasmabullets[J].PlasmaSourcesSci.Technol.,2012,21:034005.[5]HuJ.T.,WangJ.G.,LiuX.Y.,etal.Effectofafloatingelectrodeonaplasmajet[J].Phys.Plasmas,2013,20:083516.[6]QianM.,RenC.,WangD.,etal.AtmosphericPressureColdArgon/OxygenPlasmaJetAssistedbyPreionizationofSyringeNeedleElectrode[J].PlasmaScienceandTechnology,2010,12:561-565.[7]QianM.,RenC.,WangD.,etal.Starkbroadeningmeasurementoftheelectrondensityinanatmosphericpressureargonplasmajetwithdouble-powerelectrodes[J].J.Appl.Phys.,2010,107:063303.[8]WangS.,ZhangJ.,LiG.,etal.Coldlarge-diameterplasmajetnearatmosphericpressureproducedviaatripleelectrodeconfiguration[J].Vacuum,2014,101:317-320.[9]WuS.,WangZ.,HuangQ.,etal.Open-airdirectcurrentp