等离子体发生器

等离子体发生器是通过外部电场或高频感应电场使得气体放电的，被外部电场加速的部分电子通过与中性分子碰撞将能量传递给气体，它们之间的非弹性碰撞会产生激发（分子或原子中的电子从低能级转变为高能级）、离解（分子分解成原子）或电离（分子或原子的外电子从结合态变为自由电子）。

自然界产生的等离子体称为自然等离子体（例如闪电、极光和火焰），而通过多种方法使物质从气体状态转变为等离子体状态，可以在实验室制得的等离子体称为人工等离子体，等离子体发生器（plasmagenerator）即是使用人工方法来获得等离子体的设备，是在有限体积的气体反应器中产生的，最常用的发生器有以下三类：电弧等离子体发生器、射频感应等离子体发生器和低气压等离子体发生器。

电弧等离子体发生器是电弧式气体放电的一种形式，是可以产生2000-20000K等离子体射流的电弧加热器，其特点为放电通道温度高达6000K以上，弧柱中心温度高于其表面温度，弧柱温度滞后于电流的变化。等离子体流产生在弧柱截面缩小的地方，电流密度可达几千安每平方厘米，阴极压降为几十伏，弧柱中的电离方式主要是热电离，电弧能够迅速的把电能转换为热能，并且高温等离子体可以被气流吹动以实现指定部位的加热。电弧炉、等离子弧焊枪、割炬就是用了这个原理，广泛应用于等离子体化学工业、冶金、喷焊和机械加工等领域。

射频感应等离子体发生器是通过将高频电源的能量传输到工作气体使其放电，具有以下优点而被广泛应用：

1. 无电极损耗。高频感应等离子体发生器的使用寿命主要由电源的真空器件寿命而决定。发生器结构是线圈感应放电，不需电极作用即产生纯净等离子体，反应物质没有被电极材料污染，因此可用于精炼熔融蓝宝石、无水石英与光导纤维等高纯度耐火材料。
2. 流速低，反应充分。由于射频感应等离子体发生器具有较低的流速和较大的直径，已广泛应用于实验室，例如工艺生产熔融金属氧化物等物质时，反应物可长时间存在于高温区域，气相反应充分。

射频感应等离子体发生器由高频电源、放电室和等离子体工作气体供应系统构成，根据电源和等离子体耦合方式可分为感应耦合型（图1.3a）、电容耦合型（图1.3b）、微波耦合型（图1.3c）和火焰型（图1.3d）

图1.3 射频感应等离子体发生器类型

低气压等离子体发生器通常由高频电源、放电室、真空系统和气体供应系统四部分组成的一种低气压气体放电装置一般有以下四种类型：静态放电设备（图1.4a）、高压电晕放电设备（图1.4b）、高频（射频）放电设备（图1.4c有3种类型）和微波放电设备（图1.4d）。低压等离子体发生器已越来越广泛地用于诸如等离子体聚合、膜制备、蚀刻和清洁之类的表面处理工艺中，把被处理的固体表面或需要聚合膜层的基体表面置于放电环境中，由等离子体处理。诸如刻蚀过程，是由于低气压等离子体为冷等离子体，当气压为133-13.3Pa左右时，电子温度高达10000K，而气体温度只有300K，这样的温度分布有两点优势：一不会烧坏基体，二可以有足够的能量进行表面处理。近些年以来，低气压等离子体对非金属固体（如玻璃、纺织品、塑料等）的表面处理技术进行了改良。

图1.4 低气压等离子体发生器类型

通过研制不同类型的等离子体发生器，能够满足不同的工业需要，等离子体技术从实验室中诞生并走向各行各业，成为一种新兴的表面处理技术，广泛应用于制造、金属、汽车、医疗、塑料、消费、航天航空等领域。