等离子体发生器(微波等离子体发生器)

等离子体发生器

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plasma generator

用人工方法获得等离子体的装置。等离子体由自然产生的称为自然等离子体(如北极光和闪电)，由人工产生的称为实验室等离子体。实验室等离子体是在有限容积的等离子体发生器中产生的。如果环境温度较低，等离子体能够通过辐射和热传导等方式向壁面传递能量，因此，要在实验室内保持等离子体状态，发生器供给的能量必须大于等离子体损失的能量。不少人工产生等离子体的方法（如爆炸法、激波法等）产生的等离子体状态只能持续很短时间（10～10秒左右），而有工业应用价值的等离子体状态则要维持较长时间（几分钟至几十小时）。能产生后一种等离子体的方法主要有：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法（例如辉光放电法）和燃烧法。前四种放电都用电学手段获得，而燃烧则利用化学手段获得。

等离子体发生器的放电原理 利用外加电场或高频感应电场使气体导电，称为气体放电。气体放电是产生等离子体的重要手段之一。被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子碰撞，把从电场得到的能量传给气体。电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加，表现为温度升高；而非弹性碰撞则导致激发（分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级）、离解（分子分解为原子）或电离（分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子）。高温气体通过传导、对流和辐射把能量传给周围环境，在定常条件下，给定容积中的输入能量和损失能量相等。电子和重粒子（离子、分子和原子）间能量传递的速率与碰撞频率(单位时间内碰撞的次数)成正比。在稠密气体中，碰撞频繁，两类粒子的平均动能(即温度)很容易达到平衡，因此电子温度和气体温度大致相等,这是气压在一个大气压以上时的通常情况,一般称为热等离子体或平衡等离子体。在低气压条件下，碰撞很少，电子从电场得到的能量不容易传给重粒子，此时电子温度高于气体温度，通常称为冷等离子体或非平衡等离子体。两类等离子体各有特点和用途（见等离子体的工业应用）。气体放电分为直流放电和交流放电。

直流放电 通常指低频放电，在气压和电流范围不同时，由于气体中电子数、碰撞频率、粒子扩散和热量传递速度不同，会出现暗电流区、辉光放电区和弧光放电区。电流的大小是根据电源负载特性曲线和放电特性曲线的交点确定的。

交流放电 通常指工频和高频放电。工频放电时，阴、阳极以工频交替变化，其放电特性与直流放电有类似之处。高频放电时，电子仍是从电场取得能量的主要粒子。高频电场使电子往复运动，在此过程中，电子与分子碰撞并把能量传给分子，使气体温度升高，或产生激发、离解与电离现象。碰撞后的电子运动变为无规律的，在电场作用下又按照电场力的方向加速，这样不断地把能量从电场传给气体。