微秒脉冲激励的大气压氦等离子体射流放电特性北大核心CSCD

研究了不同电极结构以及放电参数对微秒脉冲激励的氦等离子体射流放电特性的影响。实验中采用不同管内径、不同电极形状、不同重复频率等参数,通过采集放电阶段的电流电压图、发光图像以及发射光谱等,对等离子体射流的电学特性和光学特性进行诊断。实验结果表明,随着管内直径的增大,氦等离子体射流的长度减小;管内径为8mm时,等离子体射流的击穿电压与放电电流最小,同时,其发射光谱中第二正带系N2,N+2和O等高能活性粒子的强度最高;管内径为5mm的等离子体射流的放电电流、功率及消耗的能量最大;在相同实验条件下,针尖电极结构中的放电电流、消耗的功率还有发射光谱强度都较大;随着重复频率的增加,氦等离子体射流的长度会增加,但击穿电压减小。     

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。     

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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。     

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。     

利用光学方法研究单针射流等离子体的产生和发展机制

对单针电极射流等离子体产生和发展过程中的光信号进行了研究。首先发现等离子体的长度并不是随外加电压升高而增加,而是和驱动电源的能量在正半周放电脉冲之间的分配有关。通过研究等离子体通道内不同位置的发光信号,发现正半周期第一次放电脉冲是在针尖电极处产生,而第二个脉冲是在等离子体通道中部产生,电子激发温度也是在等离子体中部达到最高。通过分析发现,空间电荷产生的附加电场对于等离子体的产生和发展有着重大影响。     

等离子体喷射触发气体开关多通道放电特性

为了能够形成稳定的多通道放电,研制了一种等离子体喷射触发气体开关。在触发电极的内部嵌入多个微型激励腔以形成多通道等离子体喷射,从而在主间隙中诱导多通道放电。研究了触发电路连接方式、触发能量和极性对多通道等离子体喷射的影响,比较了开关在两种工作模式下各间隙放电通道数量随工作系数的变化规律。实验结果表明:采用触发电路II连接方式,触发电极的多通道放电效果更好;高触发能量、负极性和低气压条件有利于形成多通道等离子体喷射;当开关运行在工作模式Ⅱ,且在较高工作系数时,具有更好的多通道放电特性。     

环形电极单间隙电晕放电伏安特性

基于用于直线变压器型驱动源的多间隙气体开关结构,提出一种环形放电间隙与电晕针并联的气体火花间隙。通过测量间隙耐压过程中电晕放电的伏安特性,研究了气体介质、气压、电晕极性、电晕针长度以及针尖对应电极结构等因素对伏安特性的影响。结果表明:以空气为绝缘气体,负极性电晕可获得较稳定的伏安特性;改变电晕针长度和针尖对应电极结构可方便地实现对电晕放电伏安特性的调节以满足开关要求。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

不同电极结构下双通道大气压He等离子体射流数值研究

采用二维轴对称流体模型对单电极结构（不锈钢针管）和双电极结构（不锈钢针管-高压环形电极）下同轴双通道进气的大气压氦气等离子体射流进行了对比研究。研究表明:相比于单电极结构,双电极结构下射流的传播速度明显降低,介质管内尤为严重。同时双电极结构下射流的空间结构也发生了显著变化。在单电极结构下,随射流发展由环形中空结构转变为实心圆盘结构;而在双电极结构下则呈现出实心圆盘结构至环形中空结构再至实心圆盘结构的演化过程,改善了射流空间分布的均匀性。此外,还研究了双电极结构下高压环形电极厚度对射流的影响。研究表明,随环形电极厚度的增加,射流的传播速度进一步降低,射流通道径向收缩,同时环形中空结构的射流内径减小,进而改善了射流径向分布的均匀性。     

不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的流体模拟研究

采用二维轴对称流体模型对比研究了3种不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的基本特性。第一种是带绝缘介质的针电极结构（电场方向和气体流方向平行）,第二种是在第一种电极结构的介质管外增加一个垂直气流方向的接地环电极,第三种是不带绝缘介质的裸针电极结构。研究结果表明,接地环电极的引入对介质管内外的射流传播影响不同。在介质管内,接地环电极使管内表面附近的径向电场增加,电子密度升高,射流传播速度加快,但对中心轴附近的电场和电子密度影响很小;然而在介质管外,接地环电极的引入导致轴向和径向电场均减小,从而引起射流的传播长度减小,射流通道径向收缩。通过带绝缘介质的针电极和裸针电极结构的对比研究发现,保持其他条件不变,去掉包裹在针电极上的介质后,由于等离子体电势升高,电场增加,射流的传播长度几乎增加一倍,峰值电子密度增加近一个数量级,而且在整个射流通道内电子密度都保持相对高的值。此外,对3种电极结构下的主要活性粒子的产生和输运进行了比较研究。     

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。     

Production of long,laminar plasma jets at atmospheric pressure with multiple cathodes

Plasma jets from conventional non‐transferred arc plasma devices are usually operated in turbulent flows at atmospheric pressure. In this paper, a novel non‐transferred arc plasma device with multiple cathodes is introduced to produce long, laminar plasma jets at atmospheric pressure. A pure helium atmosphere is used to produce a laminar plasma jet with a maximum length of >60 cm. The influence of gas components, arc currents, anode nozzle diameter, and gas flow rate on the jet characteristics is experimentally studied. The results reveal that the length of the plasma jet increases with increasing helium content and arc current but decreases with increasing nozzle diameter. As the gas flow rate increases, the length of the plasma jet initially increases and then decreases. Accordingly, the plasma jet is transformed from a laminar state to a transitional state and finally to a turbulent state. Furthermore, the anode arc root behaviours corresponding to different plasma jet flows are studied. In conclusion, the multiple stationary arc roots that exist on the anode just inside the nozzle entrance are favourable for the generation of a laminar plasma jet in this device.     

同轴电极结构下真空放电等离子体生成及传播特性

采用放电电流为100~300 A、持续时间为13 s的单脉冲电源,设计了两种同轴电极结构作为放电阳极,分别为筒状电极、喷嘴状电极。利用MAXWELL 3D电场仿真软件对两种电极结构下的电场分布进行了仿真分析,并采用探针法对放电生成的等离子体的参数进行了测量,分析讨论了同轴电极结构对真空放电等离子体生成特性的影响。选取喷嘴状电极结构作为阳极,分别测量了采用铅、铝、铜三种材质的阴极时生成的等离子体的扩散速度及能量。实验与仿真结果表明:当阳极为喷嘴状电极时阴极尖端的电场强度较大,测得放电电流较大,击穿电压较低,等离子体密度也较大;采用铝材质阴极时生成的等离子体扩散速度最快,采用铅材质阴极时生成的等离子体的离子动能最大。     

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。     

脉冲放电射流辅助射频辉光放电研究

通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构,在射频放电前段增加脉冲电极,脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域,主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明:等离子体子弹经过射频放电区域后,由于等离子体子弹引入的活性粒子,会使射频放电区域等离子体强度增强;而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。     

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。     

氦-氧等离子体针灭活肺癌A549细胞

研究了介质阻挡放电等离子体针对肺癌A549细胞的灭活机制, 探讨从不锈钢管注入到氦等离子体尾流区域的氧气含量对杀灭肺癌细胞A549的影响. 利用中性红吸收测试法定性观察了等离子体处理后死亡的细胞和活着的细胞的形态区别, 并且定量测定了不同条件下的细胞存活率. 在固定功率24 W的处理过程中, 氦-氧等离子体的灭活效率主要取决于等离子体曝光时间以及氦气中添加氧气的百分含量. 实验结果显示最好的处理参数为: 处理时间150 s, 800 mL/min的氦气添加3%氧气, 保持针距样品的距离为3 mm. 根据氦-氧等离子体发射光谱, 可以推断在细胞灭活过程中, 氦-氧等离子体中的活性粒子(如羟基和氧自由基)起主要作用.     

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.     

一种新型大气压毛细管介质阻挡放电冷等离子体射流技术

介绍一种结构设计简单、操作运行方便的新型毫米量级大气压冷等离子体射流发生技术.这种射流可以在大气压条件下，利用多种工作气体(如Ar,He,N₂)，通过毛细管介质阻挡放电(DBD)的方式实现.使用频率为33kHz，峰值电压为1—12kV的双向脉冲电源，利用Ar,He,N₂等工作气体，在毛细管内形成了稳定的冷等离子体射流.放电区域的光辐射空间分布利用商用CCD摄像机记录，从中研究放电形态和空间分布，观察到了在DBD区域的流动气体放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流 关键词： 冷等离子体射流 毛细管介质阻挡放电 射流射程 射流激发温度     

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The electron densities in the atmospheric pressure helium plasma were calculated by means of electron drift velocity and the jet velocity respectively. The electron velocity and jet velocity can be calculated by means of helium plasma jet current measured by a dielectric probe and plasma discharge current signal measured by voltage probes. The results show that the estimated electron densities of the helium plasma jet calculated from electron drift velocity and the jet velocity are in the order of 10 ¹¹ cm ^-3 and they increase with applied voltage. There is a little fluctuation in the value of the electron density along the jet axis of the plasma. This result is the same as the measured electron density in atmospheric pressure helium non-thermal plasma jet by using a Rogowski coil and a Langmuir probe. This is in one order lower than the electron density measured by microwave antenna.