等离子体医学研究进展

大气压非平衡等离子体(atmospheric pressure nonequilibrium plasma,APNP)能够在产生多种活性成分的同时保持较低甚至常温的气体温度,这使得它在生物医学方面有着巨大的应用前景,因此等离子体医学成为一个备受关注的新兴研究领域。自1996年第一篇等离子体医学研究论文发表以来,等离子体医学领域取得了蓬勃的发展,但也面临着一些核心科学问题亟需解决。文中对等离子体医学的研究进展进行了综述,探讨了该领域面临的核心科学问题和等离子体的生物安全性。此外,还简要介绍了等离子体医学在微生物消杀、伤口愈合、癌症治疗、经皮给药和皮肤病治疗等重要应用方面取得的成果。对于制定等离子体医学的标准和规范、建立第三方检测平台以及共享数据库和标准装置等问题,也进行了初步的讨论。最后,对等离子体医学的未来进行了展望。

低温等离子体技术杀灭食源性致病菌的研究进展

低温等离子体冷杀菌作为一种新型冷杀菌保鲜技术,对细菌、真菌、病毒、细菌孢子和生物膜均有一定的杀灭作用,同时还能保持食品原有的感官品质和营养成分。通过等离子体射流装置制取的等离子体活化水、等离子体活化有机酸溶液,由于液体的流动性,对形状不规则食品的杀菌效果比较均匀,可以有效提高微生物致死率。主要介绍了低温等离子体冷杀菌的杀菌机理和等离子体活化水、等离子体活化有机酸溶液对食源性致病菌的杀灭效果。

基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测稳定性研究

基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法是一种非接触式真空度检测方法,有望实现安全可靠的真空开关真空度带电检测。但是,激光诱导等离子体的演化是一个十分复杂的物理过程,激光能量、等离子体测量延迟时间等因素直接影响了等离子体成像,对等离子体成像稳定性的影响需要进行更加深入的研究。为此采用相对标准偏差研究了等离子体成像平均次数、激光能量和等离子体测量延迟时间等对等离子体图像和等离子体辐射强度积分稳定性的影响。结果显示,多次成像平均得到的等离子体图像和辐射强度积分不随平均次数发生明显变化,可用于表征真空度。更重要的是,等离子体辐射强度积分的相对标准偏差随平均次数和激光能量的增加而单调下降,随延迟时间的增加而增大,这意味着对等离子体进行多次成像平均,增加激光能量,减小等离子体成像的延迟时间可以提高等离子体辐射强度积分的稳定性,有利于提高真空度检测精度。该研究为基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法的参数优化提供了指导,为该方法的实际工程应用奠定了实验基础。

辅助放电下刷状空气等离子体羽的放电特性和参数诊断

大气压等离子体射流(APPJ)能产生富含活性粒子的等离子体羽,在众多领域具有广泛的应用前景.从应用角度考虑,如何产生大尺度弥散等离子体羽是APPJ研究的热点之一.目前,利用惰性气体APPJ已经能产生令人满意的大尺度等离子体羽,但从经济性上考虑,如何产生大尺度空气等离子体羽更具有应用价值.针对于此,本工作设计了一个具有辅助放电的APPJ,产生了大尺度刷形空气等离子体羽.结果表明,刷状空气等离子体羽可以在一定电压峰值(Vp)内产生,并且随着Vp增大等离子体羽的长度和发光强度都增大.电压和发光信号波形表明,每半个电压周期最多会有一次放电.每半个电压周期的放电概率和光脉冲的强度都随着Vp增大而增大,但放电起始时刻的电压值会随着Vp增大而降低.高速影像研究表明弥散刷形空气等离子体羽和小尺度空气等离子体羽的产生机制类似,均源于分叉正流光的时间叠加.此外,采集了刷形空气等离子体羽的发射光谱,并利用其对放电的电子温度、电子密度、分子振动温度和气体温度进行了研究.结果表明,等离子体羽的气体温度较低,且基本不随Vp变化.然而电子密度、电子温度和分子振动温度均随着Vp增大而升高.利用激光诱导荧光光谱技术研究了等离子体羽的OH浓度,发现OH分布较为均匀,且其浓度随着Vp增大而增大.最后,对这些变化规律进行定性分析.

使用电子回旋波共振等离子体源辅助中频磁控溅射沉积氧化铌薄膜

中频磁控溅射虽相较于电子束蒸发成膜质量更好,但不可避免仍然存在一部分颗粒物,将严重影响光学薄膜的质量和光学特性。研究了使用电子回旋波共振(ECWR)等离子体源作为辅助设备与中频磁控溅射相配合沉积的氧化铌薄膜,进行了等离子体诊断和薄膜表征。结果表明:在相同条件下,ECWR等离子体放电的氧化效果明显优于传统的感应耦合等离子体放电。ECWR等离子体源能够在较低压强的纯氧环境下稳定产生高密度等离子体,无须通过氩气作“引子”来激发维持氧气的稳定放电,展示了电子回旋波共振放电结构的优越性。沉积得到的非晶氧化铌薄膜光滑均匀且透射率达91%,能有效消除中频磁控溅射产生的颗粒物问题。通过透射率波峰位置对比发现纯氧ECWR放电样片出现红移,原因是其放电得到的薄膜均匀而致密,使光学禁带宽度向低能方向漂移出现带隙窄化。研究结果还揭示了离子源高密度、低能量特性与薄膜表面和光学特性之间的关系,为精密光学薄膜应用提供了新的解决方案。

DBD等离子体与活化水对马铃薯生长特性及产量的影响

等离子体技术在农业生产、生物医学、环境保护等领域有着广泛的应用前景。论文采用多针-板电极制备等离子体活化水装置、板-板电极等离子体直接处理马铃薯装置,对比研究了不同放电功率下等离子体活化水、直接等离子体处理对马铃薯生长特性及产量的影响。2种装置均呈丝状放电,且放电功率与外施电压正相关;当最佳放电功率匹配时,等离子体活化水、直接等离子体处理均能显著改善马铃薯生长特性及产量。等离子体活化水的放电功率为53 W时,马铃薯植株高度、茎粗、鲜重、叶绿素质量分数及产量分别提升了6.4%、18.9%、25.9%、31.7%及17.5%;直接等离子体处理马铃薯的放电功率为8 W时,植株的各参数值增幅均在10%以上。研究结果表明:放电功率变化时,等离子体活化水的理化参数(pH值、氧化还原电位、电导率、过氧化氢、硝酸根离子、亚硝酸根离子)变化显著;随着放电功率的提升,直接等离子体处理的马铃薯吸水率先增长后下降,种皮刻蚀逐渐明显。论文的研究可为DBD等离子体与活化水在农业生产领域应用提供参考。

基于局域发射光谱的LEAD装置螺旋波等离子参数测量

发射光谱法是常见的用于诊断等离子体的光学诊断技术,然而,这项技术并不能在空间上分辨等离子体。为了以低成本得到高空间分辨率的等离子体参数,发展了局域发射光谱法。这是一种将光纤伸入等离子体中以采集光纤前端等离子体光谱学信息的高空间分辨率光学诊断技术。介绍了局域发射光谱法技术的原理,并在大型线性等离子体实验装置LEAD上用蚊香形射频天线激发了氩等离子体,并在不同的射频功率和径向位置下对比了局域发射光谱法测得的等离子体光强和朗缪尔探针测得的等离子体电子密度,同时观察到了在射频功率500 W左右等离子体从感性耦合放电模式到螺旋波模式的跳变。结果表明:局域发射光谱法测得的光强与实验室现有的朗缪尔探针测量的电子密度之间较强的正相关,证明了用光强表征电子密度的可靠性,和LEAD装置上现有的朗缪尔探针在不同的等离子体模式的诊断上互补。

加载环形等离子体束的圆柱波导中慢等离子体波高频特性的数值研究

等离子体相对论微波发生器(PRMG)可以产生宽带高功率微波输出,同时又具有良好的频率可调谐性,因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区,工作模式为慢等离子体波TM_(01)模(下称P-TM_(01)模)。P-TM_(01)模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM_(01)模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析,获得等离子体束密度n_(p)、径向厚度Δr_(p)和径向位置r_(p)以及外加引导磁场强度B_(z)和波导半径r_(w)等参数对P-TM_(01)模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括:(1)一定范围内,n_(p)和Δr_(p)的变化对色散特性影响较大,r_(p),B_(z)和r_(w)的变化对色散特性影响较小。值得关注的是,由于波导中环形等离子体束的存在,随着波导半径r_(w)的增加,相同纵向波数k_(z)对应的P-TM_(01)模的频率没有降低而是略有提高。因此,在实际应用时,可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量;适当降低磁场,则有利于提高器件的紧凑性。(2)P-TM_(01)模的纵向电场的方向不随径向位置变化,径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。(3)主要物理参数变化时,场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和k_(z)相应增加,电场能量向等离子体束收拢,不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行,束波互作用的共振点最好落在k_(z)相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。

脉冲放电破岩等离子体通道长度预测方法

针对高压脉冲放电破岩电弧等离子体通道长度难以预测的问题,构建了高压脉冲放电破岩综合试验平台,测量了花岗岩-自来水组合介质下电弧等离子体通道发展特性及典型电流、电压参数,提取了不同电极间距和脉冲放电次数下岩石表面形成的破碎区域。基于能量平衡方程建立了岩石中电弧等离子体通道的阻抗模型,采用迭代优化算法获取阻抗模型参数的近似最优解,模型计算结果与试验结果的相对误差小于7%。基于优化参数,利用实测电流电压数据预测了等离子体通道的长度。模型预测的等离子体通道长度与实测值的绝对误差均处于毫米量级,且两者的相对误差小于10%,为高压脉冲放电破岩系统电源-电极负载的匹配设计提供了理论支撑。

TC4钛合金激光深熔焊等离子体羽流喷发过程研究

在激光深熔焊过程中,等离子体羽流的喷发过程作为等离子体振荡的关键阶段,与熔池小孔行为密切相关,而小孔的行为又决定着焊缝成形及焊接质量.由于等离子体喷发过程具有很强的随机性,通过检测该过程的热力学基础参数,可以更好地监测焊接过程.本文利用无源双探针检测装置与高速摄像组成的多源光电信号同步检测系统,对钛合金在激光焊接过程中的等离子体羽流喷发行为进行分析.结果表明:等离子体喷发过程分为初期、中期和后期3个阶段;在喷发初期,激光功率在1200~1500W时,等离子体喷发速度最高超过100 m/s,最低小于10 m/s,随功率增加喷发速度分布范围呈减小趋势,概率最大的喷发速度也随之减小;在喷发中期,根据等离子体喷发经过双探针时间差之比的k值来衡量喷发过程中温度变化程度,发现两探针检测等离子体相同温度的时间差是初始阶段等离子体流经两探针时间差的3倍及以上;在喷发后期,两探针电信号波形到达极小值点时间差值的正负可用来判断等离子体喷发的剧烈程度,差值为负时等离子体喷发剧烈,反之等离子喷发较弱.

不同阴极材料对PS-PVD等离子射流的影响

目的探究热阴极材料对先进等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流的影响。方法分别采用铈钨、钍钨和镧钨材料制备大功率等离子喷枪阴极,在相同工艺条件下制备涂层,采用光学发射光谱仪(OES)检测无送粉和送粉状态下的等离子射流光谱强度,分别评价射流的能量场分布及稳定性,通过扫描电子显微镜对涂层微观形貌进行观察和分析。结果在无送粉状态下,使用镧钨阴极时射流中的ArⅠ和HeⅠ特征峰强度在400~1000 mm之间最高,在1000 mm后显著降低;使用钍钨阴极时,轴向中心ArⅠ特征峰强度逐渐升至1000 mm处,之后缓慢下降,HeⅠ特征峰强度的下降速度较快;使用铈钨阴极时,从600~1200 mm,ArⅠ特征峰强度衰减得最缓慢,HeⅠ特征峰的强度逐渐提高;射流光谱强度波动幅度从大到小的顺序为铈钨、钍钨、镧钨;在送粉状态下,在强度峰值区域,钍钨阴极激发射流中不同元素的光谱强度最高,镧钨和铈钨阴极激发射流光谱强度接近,在射流轴线上方均为铈钨阴极的射流光谱强度最高;在高浓度气相区内,钍钨阴极所制备涂层以高气相比例沉积为主,枝晶生长发达,铈钨和镧钨阴极制备涂层柱间出现了较多的球形冷凝颗粒。结论镧钨阴极产生的射流在轴向400~1000 mm范围内的能量强度最高,射流稳定性最好,但在1000 mm之后存在较大的轴向和径向(HeⅠ)能量衰减,其最优喷涂距离应大于等于1000 mm;钍钨阴极产生的射流在轴向400~1000 mm区域内的能量强度和稳定性低于镧钨阴极,但大于1000 mm射流能量强度衰减的速度较慢;铈钨阴极产生的射流在轴向600~1200 mm之间的能量强度衰减最小,且轴向和径向均表现出宽域的能量和气相分布特征,但射流稳定性不足。

“电磁波与等离子体相互作用”专题前言

近些年关于电磁波在等离子体中的传播、辐射、散射规律的研究变得越来越多,越来越重要,其原因在于它是很多重要应用的基础。突出的应用场景主要有:1)高超飞行器产生的等离子体鞘套会影响无线电通信和探测;2)空间电离层等离子体会直接影响卫星通信和遥感;3)飞行器等离子体隐身。国内相关科研机构投入大量资源开展了较为系统的研究,涌现了一大批研究成果。为了更好地呈现这些成果,《电波科学学报》策划了此次“电磁波与等离子体相互作用”专题。

基于ISMM方法的非均匀磁化等离子体湍流中电磁波传播特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

探讨低温等离子扁桃体消融切除术+鼻内镜低温等离子腺样体消融术在小儿鼾症治疗中的效果

探讨低温等离子扁桃体消融切除术+鼻内镜低温等离子腺样体消融术在小儿鼾症治疗中的效果。方法 选取2016年1月-2023年1月我院收治的832例鼾症患儿作为本次研究对象,按照手术方式的不同将其分为对照组和观察组,每组416例。对照组行扁桃体摘除+鼻内镜下腺样体刮除治疗,观察组行低温等离子扁桃体消融切除术+鼻内镜低温等离子腺样体消融术治疗,对比两组患儿的临床疗效;结果观察组临床疗效优于对照组(P<0.05);结论低温等离子扁桃体消融切除术+鼻内镜低温等离子腺样体消融术可更好的改善鼾症患儿临床症状,值得推广应用。

在生物医学教育领域开设等离子体医学课程的思考与探索

等离子体医学研究的兴起吸引了越来越多来自等离子体物理、生物物理、分子生物、生物学和医学领域内专家学者的高度重视。大量基础研究及临床前研究充分展现出等离子体医学在未来临床治疗中存在巨大的应用潜力。与其他关键技术领域相比,我国在等离子体医学基础研究以及应用研究领域与国际领先团队处于同一水平,其是最具竞争力的优势领域之一。等离子体医学技术仅在有限的相关研究团队被应用,全球范围内的等离子体医学教育尚未开展。快速在医学及生命科学相关的教育体系中开展等离子体医学课程教育,培养大量的优秀人才队伍是保证我国等离子体医学持续引领全球的重要保障。

柔性电磁超构表面的太赫兹等离子体诱导透明效应

介绍了上海师范大学光学学科团队太赫兹(THz)微纳结构光子学课题组的主要成果:通过改变电磁谐振单元空间对称性,实现不同类型的等离子体诱导透明(PIT)现象,从而实现对太赫兹电磁脉冲群延迟的调控,获得太赫兹波段的慢光效应,同时衍生出了一系列全新的太赫兹光谱现象,拓展了人们对太赫兹PIT成因的认知.主要内容涵盖如下方面:非对称近场耦合实现宽频带慢光;导电耦合实现双暗场激发慢光;三体耦合局域化慢光;自互补结构单元实现正负相反的干涉相消共振,获得不同程度的太赫兹慢光;类表面等离子体相互作用获得慢光等.这些工作实现了太赫兹慢光调控机制的创新.

微波消解-电感耦合等离子体质谱法同时测定有机肥料中9种有毒有害元素的含量

提出了微波消解-电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)同时测定有机肥料中As、Cd、Co、Cr、Ni、Pb、Sb、Tl、V等9种有毒有害元素含量的方法。取0.10 g有机肥料样品于聚四氟乙烯微波消解罐中,以2.5 mL盐酸、7.5 mL硝酸和2.0 mL氢氟酸为混合酸进行微波消解。消解结束后,于140℃赶酸,然后加入1.0 mL 50%(体积分数)硝酸溶液,再用水定容至50 mL,摇匀,过滤,取滤液待测,在线加入混合内标溶液。结果表明:9种元素标准曲线的线性范围均为2~100μg·L^(-1),方法检出限(3s)为0.59~66.75μg·kg^(-1);按照标准加入法对典型有机肥料样品进行回收试验,9种元素测定值的相对标准偏差(n=7)为2.0%~3.5%,回收率为81.5%~112%。

激光剥蚀-扇形磁场电感耦合等离子体质谱法同时测定锆石U-Pb年龄和微量元素含量

激光剥蚀-扇形磁场电感耦合等离子体质谱(LA-SF-ICP-MS)具有高灵敏度特征,被广泛应用于锆石等含U矿物原位微区U-Pb定年研究,但磁偏转式质量分析器的使用导致该质谱仪扫描速度相对较慢,可能影响U-Pb同位素与其他关键微量元素的同时采集。本文通过优化仪器信号稳定性和实验方法,对目前常用的7种锆石U-Pb标准样品进行U-Pb定年和Ti、REEs、Hf等关键元素同时定量分析,探讨了多元素同时分析方法的可行性及对于U-Pb定年结果的影响。实验结果表明,相对于LA-SF-ICP-MS仅检测U-Pb同位素方法,同时开展多元素含量检测可能会使U-Pb同位素信号强度稳定性下降,导致单点U-Pb年龄结果误差及离散程度增大。与仅测定U-Pb同位素年龄的测定结果相比较,根据不同锆石样品中U-Pb同位素含量高低,多元素同时检测获得分析点的206Pb/238U年龄和207Pb/235U年龄变化范围不同程度地增大,其中207Pb/235U年龄受影响明显,单点207Pb/235U年龄误差从~1.5%增大至~2.0%,单点年龄的相对标准偏差(RSD)从0.5%~1.3%增大至1.2%~3.3%。尽管如此,多元素同时检测方法对于各样品最终测定年龄没有明显的影响,相对于TIMS年龄,各样品的谐和年龄和206Pb/238U加权平均年龄偏差分别小于1.0%和0.7%,完全满足U-Pb同位素地质年代学测试要求。同时测定锆石样品中的关键微量元素含与其推荐值相对误差小于10%。因此,采用LA-SF-ICP-MS可以同时准确地测定锆石U-Pb年龄和微量元素含量,该方法亦可用于其他副矿物U-Pb年龄与关键微量元素同时测定。

低温等离子体技术在食品行业的应用研究进展

近年来,低温等离子体技术发展迅速,由于低温等离子体设备具有易安装、样品处理简单、绿色环保等性能优势,因此在食品工业领域越来越受到重视。该文在阐析低温等离子体技术的相关概念及分类的基础上,重点对低温等离子体在食品杀菌与贮存、降解真菌毒素与农药残留及菌藻诱变方面的应用进行阐述。以期为低温等离子体技术在食品行业的广泛应用提供参考。

偏硼酸锂熔融-电感耦合等离子体发射光谱法测定铍矿石中的铍及主量元素

广泛赋存在花岗伟晶岩和热液石英脉中的铍矿石是铍最重要的矿物载体,目前铍矿石系统分析仍以传统化学法为主,影响分析效率,亟待开发一种简单高效的铍矿石中多元素分析方法。本文建立了一种基于偏硼酸锂熔融-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测定铍矿石中铍及主量元素的定量分析方法,使用4∶1熔剂-样品比,950℃下熔融15min后,通过超声提取制备溶液。偏硼酸锂熔融法能有效地分解铍矿石中的氧化物,克服了传统酸溶或碱熔无法检测硅、钠、钾等元素的局限。本方法通过校准曲线与样品基体匹配,加入铕作内标等措施消除基体效应,实现了各元素(以氧化物计)低至0.003%~0.2%的检出限,满足铍精矿质量检测需求。对绿柱石、香花石、日光榴石样品(BeO含量范围为0.14%~13.33%)测定的相对标准偏差(RSD)小于6.83%,与混合酸酸溶分析方法的测定值相对偏差为0.06%~21.28%。通过标准物质GBW07150、GBW07151和GBW07183验证,本方法精密度和准确度均符合地质矿产实验室测试质量管理规范,适用于多种类型铍矿石样品中铍及主量元素的快速连续分析。