等离子体源特性研究是低温等离子体技术应用的基础。小尺寸高功率密度等离子体具有功耗低、能量集中和高活性等特点,在局部、快速、高反应活性的处理工艺中有着重要应用。由于大的比表面积,小尺寸等离子体的有效功率密度难以提升,且特性诊断相对困难。本论文开展了三种小尺寸高功率密度等离子体的放电特性及材料处理研究。首先,以弧斑等离子体除鳞为背景,利用发射光谱和高速相机对铁基表面弧斑等离子体的光学特性进行了诊断。利用玻尔兹曼斜率法计算了极间电子激发温度(Texc)。研究表明,阴极材料对放电参数及其不稳定性具有重要影响。Texc随放电电流增大而增大。相比于纯铁阴极放电,在氧化的钢表面放电时电子激发温度较低,同时弧压、Texc真。以及谱线强度的波动较小,弧斑的形态、位置也基本不变。这种不稳定性主要与阴极微观过程——爆裂式电子发射有关。当阴极表面存在氧化物时ecton更易点燃,ecton存在概率较大,阴极的发射状态保持不变,因此放电具有更好的稳定性。利用示波器研究了针-针电极结构下正十二烷以及重油液下高压放电的击穿特性。实验发现,增大电极间距时,击穿电压也随之增大。相同条件下重油的击穿电压低于正十二烷,其可能的原因是重油中的杂质有利于气泡核子的形成。分别研究了正对型、分开型、悬挂型三种不同的电极结构对液下放电的影响。连续液下放电的电极间距较小且不变,同时需避免电极间积碳而导致短路。设计了一个针-板型液下小间隙放电装置对重油和正十二烷进行了等离子体处理,并对产物进行了气相色谱、模拟分馏、粘度、四组分和SEM分析。正十二烷处理后得到的气体产物主要由氢气和烃类组成,其中氢气的体积分数为38%。烃类中乙炔含量最高,其次为乙烯。处理后残余液体的馏程向高温方向偏移,并产生了微米级的碳颗粒。等离子体处理重油生成气体和正十二烷生成气体类似,但氢气的体积分数更高,达42%;处理后的残余液体粘度增大。这些表明,放电过程中正十二烷和重油在受到高压放电等离子体的热效应和高能电子作用后极易发生C-C键和C-H键的断裂,产生了较多的分子碎片(小分子,自由基等),自由基的复合反应生成了氢气以及气态烃类。此外,聚合反应的存在导致处理后残余液体有向重质转化的趋势。开展了小尺寸ICP等离子体射流在高功率密度模式下的光学特性研究。利用发射光谱法诊断了CH4/Ar等离子体参数,采用Lifbase软件对CH的A2△→X2П谱带进行拟合计算了中性气体的转动温度。随着放电电压的提高,电子获得更高的能量激发、电离中性气体以及离解分子,这使得中性气体温度有上升的趋势,并导致了C2自由基浓度的上升与CH自由基浓度的轻微下降。当只增加CH4浓度时,由于反应物浓度的提高,C2浓度、CH浓度均有上升的趋势。同时电子能更有效地通过振转动能量转移通道将能量传递给中性气体,从而使得中性气体温度上升。利用氩气和甲烷作为工作气体,进行了小尺寸ICP射流在沉积碳材料上的初步应用研究,得到了柔软、略发黄、易碎的沉积物,拉曼光谱和红外光谱表明这种沉积物为主要含有CH3和CH2的聚合物。