等离子体代表了一种独特的物质状态,它与我们自然界中的物质最为常见的三种组成状态“固、液、气”不同,是物质的第四种存在状态。等离子体在宇宙中的含量接近百分之百,例如存在于恒星内部、星云以及行星的大气层中。但在我们生活的环境中是个例外,除了闪电、极光等几乎不存在自然等离子体。这是因为等离子体的产生和维持均需要较高的能量,正如水从固态到液态再到气态的转变需要吸收热能一样。

依据等离子体所处的气压不同,又有低气压等离子体,亚常压等离子体和常压等离子体。

常压等离子体射流能够在开放空间直接产生高密度、低温等离子体,因此越来越受到人们的关注,这一独特性质使得常压等离子体射流能够比低压等离子体更好地应用在各种领域,如材料表面改性、薄膜沉积、生物医学、航空航天和环境科学等。与低压等离子体类似,大气压等离子体射流可以通过多种方法产生,如直流、低频交流电、射频和微波。不同的是,由于无需利用低气压放电的真空系统,设备的整体便携性大大提高,同时成本大大降低。第二个优势是,由于等离子体余晖现象,等离子体的衰减存在一个过程,在失去维持等离子体的能量后还能存在一小段时间。又因工作气体高速流动,装置内的等离子体被后续的气体推出强电场区域形成射流,这样一来等离子体能够在开放的自由空间中维持。因此,等离子体射流的应用具有灵活性,能够在处理过程中适应被处理物的不同尺寸和形状,而不受这些特性的制约,相较于其他类型等离子体源有着更广的应用前景。

依据等离子体的激励源不同,又可分为直流等离子体、低频交流等离子体、射频等离子体以及微波等离子体等。其中使用微波激励来产生等离子体有很多优势,例如无电极污染、可控性更强,且有充分的实验证据证明,微波等离子体的活性物种密度更高。

微波等离子体射流的产生

等离子体的放电形式可以按激励源的工作频率划分,包括低频等离子体、射频等离子体以及微波等离子体,其中微波的频率在300MHz-300GHz之间。用于产生等离子体常见的微波源为915MHz和2.45GHz两个频率。

等离子体是由气体分子被击穿电离而成的呈电中性的物质,主要由电子、离子、活性自由基、光子等成分组成。根据微波电磁场基础理论,微波等离子体的产生主要是依托于微波谐振腔产生的驻波对于电磁场的叠加增幅从而产生高强度电场,击穿工作气体从而产生等离子体。

在进行微波等离子体射流激发时需要先将工作气体通入谐振腔内,微波功率源通过同轴线传入进入谐振腔内,并在内电极尖端开路位置形成驻波,此时形成的高强度电场首先会将工作气体击穿并喷射至喷嘴位置从而在谐振腔内形成稳定的等离子体。