電漿射流

由於大氣壓非平衡電漿射流裝置能夠在開放空間、而不是如傳統放電僅在放電間隙內產生電漿，這個顯著優點對於許多套用，特別是在近幾年來興起的電漿醫學方面上的套用是至關重要的。此外，電漿醫學的發展與N-APPJ的發展是緊密聯繫的。

基本介紹

• 中文名：電漿射流
• 外文名：Plasma Jets
• 專業：醫療電磁技術

背景引言

對於低氣壓放電，由於氣體的密度較低，電子與中性粒子的碰撞頻率也比較低，因此電子在電場的作用下比較容易獲得較高的能量。這就使得電離較為容易發生，導致在低氣壓條件下比較容易獲得較高密度的電漿，此時活性粒子的濃度也相對較高，同時還能保證氣體的溫度保持在較低的水平。這就使得低氣壓非平衡電漿在工業中具有廣泛的套用，如電漿刻蝕、材料表面改性與清洗、改善材料的生物兼容性、生成納米材料等。此外，在低氣壓下比較容易產生均勻的電漿，這對於許多套用，如表面改性、刻蝕等是至關重要的。然而，低氣壓下產生電漿具有一個致命的缺點，即真空系統是不可避免的。這就使得低氣壓電漿只能用於那些具有高附加值且適合於真空條件下的套用。

為了克服上述缺點，近年來研究者研製出了大氣壓非平衡電漿射流 （N-APPJ：nonequilibrium atmospheric pressure plasma jet）。由於大氣壓非平衡電漿射流能夠在開放的空間、而不是在間隙內產生大氣壓非平衡電漿，這就使得許多套用的實現成為可能。

推動N－APPJ研究熱潮的非常重要的原因之一是電漿醫學的發展。電漿醫學是近幾年發展起來的一門新興的交叉學科。電漿醫學的發展與 N－APPJ的發展幾乎是同步的。特別是近幾年來，研究者希望將大氣壓非平衡電漿用於人體和動物的臨床套用，這就迫切需要研製出適合於各種具體套用的裝置。因為不可能將人體或動物放置到一個放電間隙里，當 N－APPJ與人體相接觸時，必須保證人體的絕對安全。也就是說此時不僅要求N－APPJ的氣體溫度基本保持在常溫，而且要求該電漿不會對人體造成任何電傷害。幸運的是，通過研究者的不懈努力，人們研製出了多種可用於人體或動物進行直接處理的 N－APPJ。

傳播機理

大氣壓下非平衡電漿射流的物理特性中最吸引人的部分莫過於其傳播機理。按照不同的傳播機理將電漿射流分為兩類：電場驅動的電漿射流和流體驅動的電漿射流。

能夠產生電場驅動的電漿射流的裝置結構有很多種。國內外的研究人員對這種電漿射流進行了廣泛的研究，並對其物理機理進行了深入探討。儘管這些射流的結構有很多種，但就工作氣體而言，迄今為止所觀察到的電場驅動的電漿射流都是在惰性氣體條件下產生的。

目前對流體驅動電漿射流的研究很少。Lu的課題組首次通過實驗發現電漿射流存在這種傳播方式。他們所採用的裝置由1根毛細介質管，以及1個位於介質管內的針電極和1個位於介質管前端的環電極構成。毛細介質管中通入高速氮氣。2個電極分別接高壓和大地，電漿在針電極和環電極之間產生，並從毛細管中噴射出來。研究表明該電漿射流是流體驅動的。

電場驅動

討論非平衡大氣壓電漿射流，就不得不提1998年 Hicks課題組所報導的第1個N－APPJ，其裝置如圖1所示。它的主體結構由1箇中心不鏽鋼電極（直徑為1.28cm）和外面的不鏽鋼圓筒（內徑為1.6cm）組成；該電漿射流由頻率為13.56MHz的射頻電源驅動；它用 He或 者He/O₂ 混合氣體作為工作氣體。為了獲得穩定的放電，He的體積流量必須>25L/min，O₂的混合體積比必須<3%。且輸入的功率必須保持在40~500W 之 間，相應的電漿射流的氣體溫度在25°C到幾百°C之間。

圖1 第一個典型惰性氣體N-APPJ裝置

另1個典型的惰性氣體N－APPJ是由 E.Stoffrels課題組所報導的。該N－APPJ通常叫做射頻電漿針，它 的主體結構是由1根直徑為0.3mm的鎢針和1個直徑為 4mm的有機玻璃管組成，其結構如圖2所示。當He以2L/min的體積流量流過有機玻璃管，鎢針接上頻率為10MHz的射頻電源時，在鎢針尖端形成一直徑約為2.5mm的電漿。當輸入的功率為3W，離針尖1.5mm和2.5mm處電漿的氣體溫度分別 為90°C和50°C。

圖2 另一個典型的惰性氣體N-APPJ裝置

流體驅動

人對大氣壓下氮氣電漿射流進行研究時發現射流本身對接地導體不敏感，也就是說，這種射流對電場並不敏感。這一現象意味著這種電漿射流的傳播很可能並不受電場的驅動。最後，通過改變氣流速度，發現等離子射流體長度隨著氣流速度的增大而增大，如圖3所示。以上結果表明，這種電漿射流的傳播由氣流驅動而非電場驅動。

圖3 氮氣大氣壓微電漿射流裝置

不同氣流速度下電漿射流的長度

特性

電漿射流的空間特性

電漿射流的空間特性包括軸向和徑向兩個方向。電漿射流的軸向結構包括射流的連續性、暗通道特性，以及多子彈行為。而電漿射流的徑向結構中最顯著的特性為電漿子彈的空心環結構。

• 具有空間的連續性和不連續性
  
• 電漿射流具有暗通道特性
  
• 電漿射流具有多子彈行為
  
• 電漿子彈具有空心環結構
  

圖4 射頻電壓正向峰值時刻電漿射流照片

電漿射流的時間分辨特性

電漿射流的時間分辨特性是利用高速檢測技術獲得的電漿在時間尺度上的動態過程。研究發現電漿射流具有極高的傳播速度。另外，當電壓載入到電極上以後，電漿子彈的產生時間一般會呈現出良好的可重複性，而在某些情況下電漿子彈的產生時間也可能出現很大的隨機性。

• 電漿射流具有高速傳播特性
  
• 電漿子彈具有隨機性和可重複性
  

圖5 電漿射流的時間特性

外加電壓的極性效應

研究表明，外加電壓的極性對電漿射流傳播會造成的影響。使用正電壓驅動時電漿射流要長一些。而且，電漿射流傳播的最大速度也更高。

結論

經過最近幾年的研究，人們對電漿射流的傳播機理有了更加深入的理解。主要有以下結論：

1）電場可以驅動射流的傳播，氣流也同樣可以單獨驅動電漿射流的傳播。

2）對於電場驅動的電漿射流來說，其空間結構、時間分辨特性都有了比較清楚的認識。而外加電場的極性以及光電離對電漿射流的傳播過程的影響則依然不是很清楚，需要通過進一步的研究確認。

3）對於氣流驅動的電漿射流來說，現有的研究表明確實存在這樣一種傳播方式，射流的傳播速度低，而且不受電場的影響。而射流在什麼情況下會採用這種方式傳播，以及影響射流傳播的因素，依然需要進一步研究。