我们都知道,物质随着温度升高会从固态变成液态,再变成气态。如果继续加热,气态分子会分解成原子,原子的外层电子会挣脱原子核的束缚变成自由电子,这个过程叫做电离。当大量原子发生电离时,就会形成由正离子、自由电子和中性粒子组成的特殊气体状态,科学家朗缪尔在1928年把这种状态命名为"等离子体",也就是物质的第四种状态。
要产生等离子体,最常用的方法就是气体放电。简单来说,就是通过施加高电压、强光或高温等方式,让气体中的电子脱离原子形成电离气体,在外加电场作用下形成电流。根据气压不同,气体放电可以分为低气压放电和大气压放电;按照放电形式又可以分为电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、弧光放电和射频放电等。
1.辉光放电
这是一种稳定的自持放电过程,能产生典型的低温等离子体。在气压较低时容易形成稳定的辉光放电,其中包含大量活性粒子,如电子、离子和中性粒子。由于辉光放电具有均匀性好、功率适中、温度低等特点,在表面处理、杀菌消毒、激光器和污水处理等领域应用广泛。常见的辉光放电方式有射频辉光放电和脉冲辉光放电。这种放电方式对光源强度要求较高,适合在暗环境下进行精密操作。
2.电晕放电
通常使用不对称电极(比如针尖对针尖、针尖对平板),在高压下击穿气体产生放电。由于只能在非均匀电场中产生,所以放电区域很小,产生的等离子体活性也相对较弱。
3.弧光放电
这是一种自持放电方式,特点是发光强度大、电流密度高。等离子体温度可以达到3000-50000K,因此在金属冶炼、喷涂、切割焊接和金刚石生长等高温加工领域应用广泛。
4.介质阻挡放电
又叫无声放电,特点是放电过程中有绝缘介质参与。这种放电实际上是由大量微小的快速脉冲放电通道组成的,具有均匀、稳定等特点。工作气压范围广(10^4-10^6帕),频率范围宽(50Hz-1MHz)。
5.射频放电
在低压容器两极加上高频电压产生的放电方式。放电功率通常在兆赫兹级别,常用于等离子体刻蚀。但由于放电电流大,加工时可能会因为粒子能量过高而损伤材料表面。