一.课题研究背景及意义

等离子体是固体、液体、气体三态以外的物质第四态，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基等组成，占宇宙空间可见物质总量的99%，但是在大气压、低温的等离子体在自然界极少存在。

根据热力学平衡状态，等离子体可以分为热力学平衡状态的高温等离子体、局部热力学平衡状态的热等离子体、非热力学平衡状态的低温等离子体。高温等离子体中的电子温度、离子温度及气体温度完全一致，热等离子体仅在局部范围的电子温度、离子温度和气体温度达到平衡状态，低温等离子体中的电子温度较高达几千开尔文，而离子温度及气体温度则接近室温。

目前，低温等离子体广泛应用于臭氧合成、废气处理、辅助燃烧、表面改性、医用灭菌、生物育种等多个领域，是目前等离子体科学与技术领域研究的热点之一，相比于现代工业中广泛应用的低气压低温等离子体，大气压低温等离子体无需真空腔体，成本低，操作方便，应用对象更加多样化。近年来，人们利用气体放电产生了多种形式的大气压低温等离子，主要包括电晕放电、电弧放电、火花放电等。电晕放电得到的低温等离子体具有较高的电子温度和非常低的气体温度，但是等离子体极不均匀，并且电子密度非常低。电弧放电得到的低温等离子体虽然电子密度较高，但是气体温度相对而言也比较高，因而对于反应器材料要求比较苛刻，设计较为复杂，同时也会产生较多的能耗。而火花放电产生的低温等离子体既具有较高的电子温度和电子密度，同时气体温度较低，广泛应用于环境保护、材料改性，气流控制等领域，尤其在生物医学领域，如具有在不造成宏观伤害的情况下对活性细胞进行杀菌消毒、凝血、令癌症细胞和其他细胞的周期性凋亡，控制细胞附着等作用。

1.1火花放电简介

火花放电（Spark Discharge）一般凭借施加在两个电极之间的高电压，使周围的空气或者气体分子发生碰撞，使放电通道逐步发展，击穿两个电极之间的气息，在两个电极之间形成明亮的丝状通道，出现闪光，显示明亮的放电通道，并伴随发出爆裂声。火花放电需要汤森和流光两种机制。在电极间隙、具有尖端结构的裸电极上加高压，在电极尖端附近的位置会产生极高的电场，高电场会通过汤森机制产生电晕放电。当气隙之间的电压继续逐渐升高，电子出现雪崩，并逐渐增强，当等离子体中电子密度达到10⁸cm^-3时，开始形成流光，电极间的气隙击穿，电晕放电转变为火花放电，在两个电极之间形成火花放电通道。火花放电通道形成后，放电电压快速下降，电流快速升高，这导致放电通道中电子温度降低至1~3eV左右，电子密度升高至10¹²~10¹⁵cm^-3，形成火花放电等离子体。如果此时电源功率不足，火花放电就会熄灭。火花放电图如图1.1.1所示。

图1.1.1 火花放电低温等离子体

1.2 火花放电发生装置

如图1.2.1所示，为火花放电低温等离子体发生装置的示意图，发生装置的主要部分即驱动电源和火花放电等离子体反应器。等离子体反应器的驱动电源类型主要有直流电源、交流电源、脉冲电源。