低温大气高压等离子体炬

等离子体炬主要利用阴阳极间施加的电压加速初始电子达到电离气体的动能，碰撞中性气体，使气体原子或分子电离形成持续的等离子体的装置。

大气等离子体通常是指在接近或等于标准大气压条件下，在充满特殊气体的其他腔体中或普通空气中激发产生的等离子体。人工激发等离子体的方法很多，例如，激光辐射电离以及气体放电等，其中，人工生成大气压等离子体的主要方式为在一定的气体空间内施加强电场，当电场强度超过一定值时，气体将发生击穿并产生放电。由于在大气压环境下，气体的粒子密度比低气压时大，进而电子自由程也极小于低气压时的电子自由程，因此产生气体放电的电压比低气压的情况要高很多。

低温大气高压等离子体炬装置

如图1-1所示为典型的低温大气高压等离子体炬装置的结构，其主要结构为棒电极和金属管。

图1-1 低温大气高压等离子体炬装置的典型结构

棒电极接高压电源，金属管与地连接并保持零电势，棒电极置于金属管正中心。金属管两端为通孔结构，通孔的一边设计为喷嘴形状，另一边与工作气体连接，该结构可以将高压击穿工作气体产生的等离子体从内部电极间隙以等离子体射流的形式扩展到周围环境中。

空间中，工作区域和电极之间的放电区域可以通过等离子体射流彼此分离，并且等离子体射流中的活性物质和带电粒子能够被直接输送到待处理的物体表面并获得优异的处理效果，因此低温大气高压等离子体炬装置产生的等离子体对需要处理的物品尺寸以及形状没有特殊要求，可以广泛地应用到实际生活中去。

大气压中的气体放电也包括电弧放电，可产生大气压热平衡等离子体。为了使高电压时气体放电均匀并且避免其转化为电弧放电，一般情况下，将绝缘介质放入至两电极间，这被称作介质阻挡放电。

介质阻挡放电是在大气环境下产生非热平衡低温等离子体的主要方式之一，两个平行板组成两个电极或一根同轴棒（或线）与一个金属管构成两个电极是介质阻挡放电主要的两种电极结构。用特定的工作气体（如空气、惰性气体、氮气等）填充两个电极之间的间隙，且绝缘介质至少覆盖其中一个电极或者放置于两个电极之间是介质阻挡放电的主要特征。如图1-2所示。

图1-2 低温大气高压等离子体炬装置

当产生介质阻挡放电时，在绝缘介质的表面将存在电荷积累，然后将存在可以减弱原始外部电场的反向空间电场。放电电流的增加受到限制，从而可以防止放电转换成火花放电或电弧放电。不同工作气体或者不同类型的施加电压产生的放电模式可以是丝状或辉光放电。丝状放电模式通常具有放电时间和空间不规则分布的特征以及大量的细丝状微放电通道，并且，尽管单个微放电通道的放电电流的密度很高，大于100A/cm2，但是寿命仅为10~100ns。由于丝状放电模式具有密度大的细丝电流和不均匀放电的特点，会导致被处理的物体表面处理不均匀或受到损伤等后果，在一定程度上，介质阻挡丝状放电的应用受到限制。介质阻挡放电的辉光放电模式类似于低压环境中的辉光放电，放电是均匀的且在两个电极之间的间隙中扩散。辉光放电模式可以更好地补偿丝状放电的缺陷，在低温非热平衡状态下激发产生等离子体，该等离子体中的化学物质具有极高的活性。但是由于击穿气体的电压在大气环境中很高，例如空气为30kV/cm，因此介质阻挡放电通常具有毫米至厘米量级的较窄间隙。如果继续增大电压，由于电场在放电间隙中分布不均匀，则可能会使介质阻挡放电快速转化为火花放电，同时过高的电压在实际应用中也存在安全隐患。因此介质阻挡辉光放电在处理几何形状不规则、规模较大或尺寸较大的物体时，具有一定的局限性。