大气压等离子体射流中绝缘体对等离子体电流的抑制作用

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Suppression of Plasma Current by Insulator in Atmospheric Pressure Plasma Jet

大气压非热平衡等离子体通过高电压电极包裹石英管及稀有气体射流形成，外部绝缘层使等离子体电流受抑制。由于石英管内部极化与外表面电子感应正极化反向作用，极化强度随电子充电量与等离子体电荷的平衡变化，进而调控电磁力效应。

　　

摘要：

通过向缠绕在石英管上的电极施加高电压来产生等离子体。在大气压下，将稀有气体流入管内时，会形成喷射状的等离子体。由于离子会随中性气体的流动而移动，因此等离子体电流主要由受电磁力驱动的电子组成。通过在石英管外部加装绝缘体，可以抑制通过石英管的等离子体电流。由于石英具有内部极化特性，与石英管内表面接触的等离子体会在石英管外表面产生正极性。施加在铜电极上的高电压会在空间中产生电磁感应噪声。这种电磁感应噪声会使大气中的电子振动，从而导致绝缘体表面带电。绝缘体表面的带电电子会在石英管内表面产生正极性。因此，在石英管内部，由于施加的电压和等离子体作用产生的极化方向相互抵消，从而使石英管内部的净极化强度减弱。石英管内的极化状态取决于绝缘体表面带电量与等离子体电荷量之间的平衡。当等离子体电荷不足以减弱绝缘体表面电子引起的极化时，等离子体电荷会减少，作用在等离子体上的电磁力也会减弱；而当等离子体电荷量不足以减弱绝缘体表面电子引起的极化，或者等离子体电荷量超过绝缘体表面电子所需电荷量时，等离子体会在绝缘体表面诱导电子充电，从而进一步减弱作用在等离子体上的电磁力...

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引言

目前正在进行关于常压非热平衡（冷）等离子体在工业、医疗和农业领域应用的研究。冷等离子体通过化学作用实现处理效果，而不会对目标物体造成热损伤[1]、[2]。等离子体可用于治疗烧伤[3]和杀菌[4]。已经有关于使用氦气或氩气在大气压下产生的等离子体特性的报道[5]、[6]、[7]。在常压下的自由空间或真空容器中，由于电磁压力（驱动力）与中性气体的动态压力（限制力）之间的平衡，等离子体会以子弹状[8]、[9]、[10]、[11]或流光状[11]、[13]、[14]、[15]的形式在通电电极处生成并向下游传播[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。等离子体中的电子密度、温度和电流会随操作条件变化，但通常电子温度为几电子伏特[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，电子密度范围在10^17至10^19 m^-3之间[17]、[18]、[19]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]，等离子体（电子）电流约为几十毫安[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]，等离子体电荷约为几十纳库仑[23]、[24]、[25]、[27]、[28]、[29]、[33]。