大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果

 介绍了一种同轴电极的射流等离子体发生装置,可以直接在大气中将生成的氦气辉光放电射流等离子体喷出进行杀菌消毒,无需反应容器和真空系统,并从电压、频率、流速等方面讨论了该同轴等离子体发生器的放电特性。在稳定的放电条件下,利用实验装置进行了大气压下的等离子体灭菌实验,验证了本装置在等离子体灭菌应用上的可行性和易操作性。灭菌结果表明：在最初的2 min内,细菌减小趋势明显,3 min后细菌几乎全部消亡。     

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10 kV,重复频率为100 Hz,可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。     

大气压低温氦等离子体射流的诊断研究

为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程,通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器,在放电频率10 kHz,一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流。通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值,而对放电时间、电流脉冲数的影响不大。增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会得到较大幅度增加。通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、电子激发温度、电子密度进行了诊断。结果表明,大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、N₂第二正带系、N+₂的第一负带系、羟基（OH）,H原子的巴尔末线系（H_α和H_β）与O原子,这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%,但其中仍残留有少量的空气,同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。还可以发现,主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。选用He Ⅰ原子的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算,得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间,电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。但由于反向电场的存在,某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况;根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算,发现电子密度的数量级可达1015 cm-3,同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。     

微秒脉冲大气压氦气等离子体射流阵列特性

为了深入研究等离子射流阵列的放电特性,利用上升沿1μs、脉宽2μs的微秒脉冲电源产生等离子体射流,通过电压电流波形的测量和发光图像的拍摄,研究了在针-环双电极结构下,不同电极位置以及不同重复脉冲频率下氦气等离子体射流阵列的放电特性。实验结果表明放电最初产生在阵列的两端,随着外加电压幅值的增加,中心管也会有射流产生,最终形成射流阵列。随地电极距管口距离的变远,放电电流和中心管的射流长度均呈现出先增大后减小的变化趋势(20mm处取得最大值),随着重复脉冲频率的增大,放电由不均匀的丝状放电向均匀放电转变,放电电流先减小而后保持不变。     

大气压直流微等离子体射流研究

介绍了一种结构简单、 制作方便的微米量级大气压等离子体射流。这种微等离子体射流由直流电源驱动,可在多种工作气体(如Ar,He,N₂等)中实现大气压放电,产生高电流密度的辉光放电。为了确定微等离子射流产生的激发物种成分,测量了以Ar和N₂为工作气体的等离子体发射光谱。利用发射光谱相对强度比值法测量了氩气微等离子体射流的电子激发温度。实验显示,其电子激发温度约为3 000 K,这远低于大气压等离子体炬的电子激发温度。利用N₂的二正带发射光谱得到微等离子体的振动温度约为2 500 K;利用其电学参数估算电子密度在1013cm-3量级。利用此微等离子体射流进行了普通打印纸表面处理的应用实验。结果显示,这种微等离子体射流能够明显的提高普通打印纸的亲水性。     

纳秒脉冲放电等离子体射流特性

采用单针式电极,使用单极性重复频率脉冲电源,在常压氦气、氩气、氮气和空气中得到等离子体射流,并改变电压、流量和气体种类,分别观察不同的实验条件对等离子体射流的影响。实验结果表明:射流长度随施加电压的增加而增长;随着流量的连续变化,射流长度先逐渐变长,达到峰值后由于湍流影响,长度又逐渐缩短,达到一定流量后趋于饱和。此外,不同工作气体中的等离子体射流呈现截然不同的外观,氦气和氩气中射流呈针状模式,长度可达7 cm以上;而在氮气和空气中,射流呈现为长度不超过2 cm的刷状模式。     

纳秒脉冲等离子体射流的产生及其特征研究

利用纳秒脉冲放电在单针、环状、以及单针加环状三种不同电极结构下产生了均匀稳定的等离子体射流;通过光学和电学诊断研究了三种不同结构下等离子体射流的运行特性及相应的物理机制。实验结果表明,以上三种等离子体射流的转动温度均为295K,振动温度分别为1900K,2000K和2100K,都属于非平衡态等离子体;其中,基于单针和环状电极的混合型射流可产生更为均匀稳定的等离子体,且富含较多的活性物种,有望在材料表面处理及消毒灭菌等领域发挥一定作用。     

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利用纳秒脉冲放电在单针、环状、以及单针加环状三种不同电极结构下产生了均匀稳定的等离子体射流;通过光学和电学诊断研究了三种不同结构下等离子体射流的运行特性及相应的物理机制。实验结果表明,以上三种等离子体射流的转动温度均为295K,振动温度分别为1900K,2000K和2100K,都属于非平衡态等离子体;其中,基于单针和环状电极的混合型射流可产生更为均匀稳定的等离子体,且富含较多的活性物种,有望在材料表面处理及消毒灭菌等领域发挥一定作用。     

双极性脉冲磁控溅射电源设计

双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源,分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电;综合应用FPGA,PLC及触摸屏组成人机交互系统,控制输出光脉冲信号,经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证,该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题,达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

Bacillus subtilis devitalization mechanism of atmosphere pressure plasma jet

Bio-applications of atmospheric pressure plasma have been widely studied in recent years. However, the devitalization mechanisms of micro-organisms by atmosphere pressure plasma have not been clearly explained. This paper was to find the possible sterilization mechanisms and define the major sterilization factors with the atmospheric pressure plasma jet. For the sterilization target, the Bacillus subtilis was selected. In this paper, a set of physical or chemical methods were used to characterize the following sterilization factors: heat, ultraviolet radiation, charged species and chemical reactive species generated by the plasma. It was found that the bacterial inactivation efficacy had a significant improvement when oxygen was introduced into the plasma jet system. Comparing with the result of sterilization, the inactivation process was dominantly controlled by synergistic actions of chemically active species and charged species, rather than heat, or ultraviolet radiation.     

Surface diffuse discharge mechanism of well-aligned atmospheric pressure microplasma arrays

A stable and homogeneous well-aligned air microplasma device for application at atmospheric pressure is designed and its electrical and optical characteristics are investigated. Current-voltage measurements and intensified charge coupled device(ICCD) images show that the well-aligned air microplasma device is able to generate a large-area and homogeneous discharge at the applied voltages ranging from 12 kV to 14 kV, with a repetition frequency of 5kHz, which is attributed to the diffusion effect of plasma on dielectric surface. Moreover, this well-aligned microplasma device may result in the uniform and large-area surface modification of heat-sensitive PET polymers without damage, such as optimization in hydrophobicity and biocompatibility. In the biomedical field, the utility of this well-aligned microplasma device is further testified. It proves to be very efficient for the large-area and uniform inactivation of E. coli cells with a density of 103/cm~2 on LB agar plate culture medium, and inactivation efficiency can reach up to 99% for 2-min treatment.     

超细Ar/O2大气压等离子体射流选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜

介绍了一种在大气压环境下产生超细Ar/O2等离子体射流的装置。为了降低等离子体射流的尺寸,一种特制的玻璃微针被用于制作等离子体射流源。当施加在电极上的电压为4.0 kV时,该装置能产生基本均匀和稳定等离子体射流,且等离子体射流的线宽仅有几m。此外,探究了该超细等离子体射流选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜的可能性。实验结果表明,该超细Ar/O2等离子体射流能有效地选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜,去除速率可达2.4 m/min。因此,这种超细Ar/O2大气压等离子体射流有可能用于材料的超细加工。     

Development of a new atmospheric pressure cold plasma jet generator and application in sterilization

This paper reports that a new plasma generator at atmospheric pressure, which is composed of two homocentric cylindrical all-metal tubes, successfully generates a cold plasma jet. The inside tube electrode is connected to ground, the outside tube electrode is connected to a high-voltage power supply, and a dielectric layer is covered on the outside tube electrode. When the reactor is operated by low-frequency (6 kHz--20 kHz) AC supply in atmospheric pressure and argon is steadily fed as a discharge gas through inside tube electrode, a cold plasma jet is blown out into air and the plasma gas temperature is only 25--30℃. The electric character of the discharge is studied by using digital real-time oscilloscope (TDS 200-Series), and the discharge is capacitive. Preliminary results are presented on the decontamination of E.colis bacteria and Bacillus subtilis bacteria by this plasma jet, and an optical emission analysis of the plasma jet is presented in this paper. The ozone concentration generated by the plasma jet is 1.0×10¹⁶cm^-3 which is acquired by using the ultraviolet absorption spectroscopy.     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。     

大气压氮氧等离子体射流灭活表面大肠杆菌及其发射光谱分析研究

研究了氮氧源大气压等离子体射流对表面大肠杆菌灭活作用,分析了氮氧源大气压等离子体射流的光谱性质。结果表明,在放电电压为6.8kV,气体流速为4L?min?1,处理3min时,氮氧比为1:4的大气压等离子体射流对大肠杆菌的灭活率达到98.4%,接近氧气源大气压等离子体射流灭菌效果。通过大气压等离子体射流发射光谱(OES)分析了氮氧源大气压等离子体射流中活性物质,进而解释大肠杆菌微生物灭活机理,认为NO?γ、OI、?OH等活性物质在表面大肠杆菌灭活过程中起到了重要作用。这将为大气压氮氧等离子体射流在环境卫生、微生物灭活等方面的应用研究提供实验基础和技术支持。     

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研究了氮氧源大气压等离子体射流对表面大肠杆菌灭活作用,分析了氮氧源大气压等离子体射流的光谱性质.结果表明,在放电电压为6.8kV,气体流速为4L?min-1,处理3min时,氮氧比为1:4的大气压等离子体射流对大肠杆菌的灭活率达到98.4%,接近氧气源大气压等离子体射流灭菌效果.通过大气压等离子体射流发射光谱(OES)分析了氮氧源大气压等离子体射流中活性物质,进而解释大肠杆菌微生物灭活机理,认为NO-γ、OI、·OH等活性物质在表面大肠杆菌灭活过程中起到了重要作用.这将为大气压氮氧等离子体射流在环境卫生、微生物灭活等方面的应用研究提供实验基础和技术支持.     

单针与针-板喷枪放电特性的比较研究

通过光学与电学测量,对大气压氩气中运行的单针喷枪和针-板喷枪的放电特性进行了研究。结果表明两种喷枪产生等离子体的长度和截面积都随着外加电压峰值(U_p)的增大而增大。相同U_p下针-板喷枪等离子体截面积比单针喷枪大。相同U_p下针-板喷枪放电的外加电压比单针喷枪的低。通过采集两种喷枪放电的发射光谱,对其等离子体的电子温度和振动温度进行了比较。结果发现两种喷枪的电子温度和振动温度均随着U_p的增大而增大,且相同电压下针-板喷枪的温度高于单针喷枪。研究结果对大气压等离子体喷枪的工业应用具有重要价值。