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微等离子体及其应用


□ 张树宇 辛 煜 宁兆元 梁荣庆

  摘要 微等离子体已成为近年来国际上低温等离子体研究的热点课题之一。微等离子体是被限制在一个有限的空间范围内(尺度为毫米量级甚至更低)的等离子体,它通常能够运行在大气压条件下,它的低功耗、高密度、高稳定等特性以及其小巧、经济、便携等优势,为其在紫外光源的获得、微化学分析系统、生物医学、材料表面改性和加工、环境污染物的处理等领域提供了广泛的应用空间。文章对微等离子体及其应用进行r综述,介绍了各种微等离子体源的产生方法,以及它们在不同领域的研究和应用情况。
  关键词 低温等离子体物理学,微等离子体,综述,大气压,表面处理
  
  1 引言
  
  随着科技的发展,“等离子体”开始越来越多地出现在我们的生活中,从贴近百姓生活的等离子体显示器、空调和冰箱中的空气清洁器,到应用在军事上的等离子体隐身天线、航天上的火箭推进器,以及新闻中频繁报道的用于受控核聚变的国际托卡马克实验反应堆(ITER),等离子体正潜移默化地渗透入我们生活的方方面面。一般而言,等离子体是离子和电子密度大致相当的具有一定电离度的第四态物质,从热平衡的角度考虑,等离子体可分为离子和电子温度相近的热等离子体和电子温度远高于离子或原子温度的低温等离子体。本文中所提到的微等离子体是一个典型的非热平衡低温等离子体。
  微等离子体通常被限制在一个有限的空间范围内,兼具了常规等离子体的一些特性。尽管它是常规等离子体的一个缩影,但由于放电尺寸缩小到毫米量级甚至更低,使得微放电等离子体通常能够运行在大气压条件下,这与常规等离子体相比,出现了一些新的变化,如有更高的等离子体密度和更好的稳定性以及由此带来的其他新的特点和优势。
  直流放电等离子体的放电条件遵循帕邢定律,也就是说,着火电压决定于气体压强和电极间隙的乘积,该乘积越小,着火电压就越低,等离子体放电就越稳定,放电效率就越高。微等离子体放电同样遵循帕邢放电条件,这就决定了运行在大气压条件下的微等离子体装置的小型性,从而使得该装置轻巧、便携。同时,微放电等离子体无需常规等离子体使用的真空系统,不仅节省了成本,也省去了大量的真空获得时间。从这个角度看,微等离子体又是方便、经济和快捷的。另外,高气压环境中的微等离子体放电主要由三体碰撞机制主导,这不仅有利于辐射强度的增强,同时也有利于放电电流密度的提高,从而有利于提高等离子体密度。
  
  做等离子体的这些特点和优势为其在紫外光源的获得、微化学分析系统、生物医学、材料表面改性和加工、环境污染物的处理等领域提供了广泛的应用空间。本文将综述几种微等离子体的产生方法及其应用领域。 ......
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