基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自由基和O原子的寿命时间分别为1ms和3ms,远大于脉冲放电持续时间;采用拟合衰减曲线法,得到OH自由基的绝对密度为1012~1013cm-3;发现离喷嘴口越远,OH自由基和O原子密度越低。然而,即使距离喷嘴口数cm的地方,仍然存在大量的OH自由基和O原子;OH自由基和O原子的密度随激励频率和脉冲电压幅值的增加而升高,随H_2O含量和O_2含量的升高而出现先增大后减小的趋势。其中,当氦气中H_2O含量为0.012%时,OH自由基密度达到最大值。当氦气中O2含量为0.5%时,O原子密度达到最大值。本文研究为调控和优化低温等离子体射流中OH自由基和O原子密度提供重要科学依据。

预电离大气压低温等离子体射流及其在表面清洗中的应用

具有高化学活性的大气压放电低温等离子体射流具有潜在的应用价值。为此,介绍了一种利用预电离办法产生Ar/O2等离子体大气压低温射流及其在表面油污清洗中的应用。采用针电极放电等离子体作为预电离源,为射流介质阻挡放电(DBD)提供种子电子,使得射流DBD的击穿与维持电压得以降低,即使在氧气与氩气体积比高达6%时,也可以产生均匀稳定的放电模式。采用光纤温度传感器检测得到放电等离子体气体温度在390～440K,而Boltzmann斜率法计算得到的电子激发温度为4640K,通过示踪元素法计算得到氧原子数密度在1017 cm-3量级。将该射流应用到玻璃表面油污清洗,最大清洗速率可达0.1mm/s。所以预电离技术可以产生具有高化学活性的均匀放电的大气压低温等离子体射流,该射流在表面油污清洗中具有较高效率。

大气压低温等离子体射流甲醇直接合成乙二醇新技术实验教学研究

利用激光诱导荧光(LIF)及发射光谱(OES)对大气压CH_3OH/Ar等离子体射流放电进行了详细地诊断研究,主要考察了不同CH_3OH/Ar体积比对射流中OH自由基的密度时空分布的影响。研究结果表明,仅少量的甲醇蒸气掺入到工作气体氩气中时(CH_3OH/Ar体积比为0.05%),有利于OH自由基的产生。发射光谱测量结果中发现存在含碳的特征活性粒子,如CN、CH、C2等。对大气压CH_3OH/Ar等离子体放电中甲醇的分解机制进行了详细的探讨。通过实验数据及进一步的探讨分析,评估了大气压低温等离子体射流中甲醇直接合成乙二醇技术的关键性外界工作参数。

大气压低温等离子体射流器件层流特性的模拟研究

为分析大气压低温等离子体射流的特性,本文建立射流器件二维轴对称模型,利用Comsol软件对层流状态下等离子体射流的连续性方程、N-S方程和对流扩散方程进行耦合求解,分析了不同气体流速、喷口直径及工作气体条件下,喷射气流在空气中的轴向(z)和径向(r)摩尔分数分布,并研究了流速、喷口直径和工作气体对射流特性的影响。模拟结果表明,在层流状态下,可以用He与空气混合的摩尔分数为0.99时的轴向传播长度去估测射流传播的长度,该长度与入射气体流速、喷口直径的平方呈线性关系,即与气体体积流量呈正比,模拟结果与文献中实验结果一致;相同条件下,He、Ne、Ar三种工作气体在轴向上的摩尔分数分布依次增大,它们与空气混合的摩尔分数为0.99时的轴向传播长度依次增加,可推测同等条件下Ar气的射流长度最长。

电极结构对于大气压低温等离子体射流初始电场的影响

为研究不同电极结构对于大气压低温等离子体射流电场的影响,建立了二维轴对称模型,利用COMSOL软件对3种不同的电极设置情况进行了仿真。仿真结果表明,只有针电极时,电场强度比较低,壁上加环电极时,最大电场强度显著增大,且环电极的宽度对它的大小也有影响,壁外加环电极时,最大电场强度也增大,但增加的幅度较环电极在壁上时小,且随着环电极距壁的距离越来越大,产生的影响也越来越小。

大气压等离子体射流功能改性硅树脂的工艺研究

[目的]采用大气压等离子体射流(APPJ)技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面产生结构色的方法和机制鲜有报道。[方法]通过对处在拉伸状态的PDMS进行1 min的氩气等离子体处理,然后释放拉应力,获得了具有环形渐变结构色的PDMS。[结果]扫描电镜(SEM)照片揭示,APPJ处理后的PDMS表面生成了周期排列的纳米褶皱结构,且褶皱周期是逐渐变化的。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,经APPJ处理的PDMS表面发生了进一步交联和氧化,生成了弹性模量比PDMS更高的氧化硅物质层。可见光吸收和反射光谱分析表明,具有结构色的PDMS对可见光表现出了更低的反射率,而其垂直方向的可见光透过率则无显著改变。[结论]通过APPJ技术能够简单、快速地对有机硅化合物表面进行改性而获得精细结构色,该工艺方法有望满足显示、传感、防伪、功能材料等领域的实际需求。

介质管介电常数对大气压Ar冷等离子体射流特性的影响

通过二维流体模型,研究介质管的介电常数对大气压氩气冷等离子体射流放电性质的影响.结果表明,射流在介质管内外具有不同的放电性质.当射流在介质管内时,电离波沿着介质管内表面向管口传播,因而呈现环状结构,其传播速度先增加后减小.介电常数越大,环形结构的半径越小,电子密度越低,射流传播的速度也越小.当射流喷出管口后,射流的传播速度迅速提升,然后减小,介电常数越大,提升越快.随着射流的传播,环状结构不断收缩,最终消失.研究结果对大气压冷等离子体源的设计和优化具有一定的理论指导意义.

大气压等离子体射流在环境领域的应用进展

大气压等离子体射流(APPJ)是一种新兴的大气压等离子体放电技术,其在大气压下产生,具有放电温度和激发电压低、放电装置灵活、操作简便安全等优点,能够在大气环境中产生,在生物医学、环境卫生、材料改性等多领域具有广泛的应用前景。概述了近年来国内外APPJ在环境卫生和环境污染治理等环境领域,特别是环境灭菌、环境污染物去除和环境藻类治理等方面的应用;阐述了APPJ的射流装置与处理方式、效果和机理;基于研究现状,探讨了APPJ在环境领域应用存在的问题与解决途径,主要包括其灭菌降解机理、试验规模放大、等离子体射流发生装置设计和等离子体射流电源研发;最后展望了该技术未来在环境领域应用的发展方向和趋势。

固定功率下大气压交流氩气等离子体射流的光谱特性

大气压kHz频率交流等离子体射流具有广泛的应用前景,而目前研究电源参数影响时只能探究单一驱动参数变化时的射流放电规律,这无疑也会耦合进功率对射流放电的影响,不能体现驱动参数本身对放电的影响.本研究利用自研的可调脉冲调制占空比的交流电源驱动大气压氩气等离子体射流,结合发射光谱与吸收光谱诊断,研究了固定放电功率下不同电压、频率和脉冲调制占空比参数对等离子体射流的气体温度Tg、电子激发温度Texc、电子密度ne,OH粒子数密度等性能的影响.结果表明,固定功率下,电子密度不会随着驱动参数的改变而变化,而气体温度、电子激发温度、OH粒子数密度变化受脉冲调制占空比影响最大;其次是电压影响,频率影响最小.降低频率提高电压时气体温度和电子激发温度会升高,·OH粒子数密度会增大;而降低脉冲调制占空比提高电压时气体温度和电子激发温度会降低,·OH粒子数密度会减少.此外,降低脉冲调制占空比能够使得大气压等离子体射流在更低的气体温度下产生更多的·OH活性粒子.

大气压低温等离子体射流及其生物医学应用

大气压低温等离子体射流是近年来学术界兴起的新型研究领域，由于其在大气压下产生，气体温度低，活性高，在众多领域尤其是生物医学方面的应用引起了人们广泛的关注。本文依据驱动电源的不同分别介绍直流电源、交流电源、射频电源、微波、直流脉冲电源驱动的大气压低温等离子体射流装置，及其各自的物理特性、杀菌效果，以及大气压低温等离子体射流在生物医学方面的应用。最后叙述了大气压低温等离子体射流应用领域的前景，以及所面临的困难和可能的解决方法。

大气压等离子体射流放电参数对沉积氧化钛薄膜特性的影响

大气压等离子体增强化学气相沉积(AP-PECVD)功能薄膜技术受到广泛的关注,但等离子体的作用机理仍有待进一步探讨。利用针-板电极大气压电晕Ar等离子体射流,在不同放电频率条件下,对单、双脉冲的放电参数及沉积TiO_(2)薄膜的性质进行比较,阐明了脉冲放电特性对等离子体参数和TiO_(2)薄膜生长的影响,进而推断AP-PECVD中等离子体的作用机理。结果表明:单个电压周期内,放电电流呈稳定的单脉冲或双脉冲,电晕等离子体射流区域呈均匀弥散分布,沉积的氧化钛薄膜均匀致密;其他条件相同的情况下,双脉冲放电极间平均耗散功率、等离子体气体温度大于单脉冲放电,并且等离子体区域发光显著增强,发射光谱计算得到大气压等离子体射流电子激发温度约8000 K,双脉冲等离子体射流电子温度略高于单脉冲等离子体射流。对于薄膜生长,双脉冲放电薄膜沉积速率比单脉冲放电大,沉积的薄膜更加致密,亲水性更强。由于等离子体参数上的差异,在钛酸异丙酯解离过程和TiO_(2)薄膜形成时的表面扩散过程中,双脉冲等离子体射流比单脉冲射流贡献更大,有利于快速沉积更致密、亲水性更高的氧化钛薄膜。

大气压低温等离子体对采后桑椹大肠埃希菌的杀灭作用

食品表面的大肠埃希菌(Escherichia coli)对消费者的健康构成威胁,而大气压低温等离子体技术(cold atmospheric plasma,CAP)作为一种新兴的非热杀菌技术,已在食品杀菌保鲜领域得到广泛应用。为探究CAP对E.coli的杀灭作用及机制,文中以采后桑椹表面E.coli为试验菌株,研究了CAP对E.coli的抑制效果及对其细胞膜、亚显微结构、胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)积累和细胞凋亡情况的影响,探讨了CAP技术对E.coli的杀菌机制。结果表明,CAP处理可显著抑制E.coli的生长,造成其细胞膜破损及部分细胞裂解,同时引起E.coli细胞内ROS的积累,进一步诱导其发生细胞凋亡,E.coli细胞受损程度、ROS积累趋势和凋亡率均随电流强度增加而增加。由此推测,CAP可能通过对E.coli细胞膜的损伤引起胞内生物学损伤,破坏细胞活性,从而对其起到抑制和杀灭效果。

大气压低温等离子体抑制甲状腺未分化癌CAL-62细胞生长的机制研究

为了探究大气压低温等离子体(CAP)抑制间变性甲状腺癌的作用机制,应用转录组测序技术,借助生物信息学分析手段研究CAP对CAL-62的抑制作用,筛选出差异基因进行KEGG富集分析和GO分类,最后选取部分基因进行Western blot(WB)验证.结果表明,与对照组相比CAP处理组共有674个差异表达基因,以BIK和CDKN1C等为代表的287个基因上调表达,以TANC2、ESM1和CBL等为代表的387个基因下调表达.KEGG富集分析表明差异基因主要富集在MAPK、Rap1等信号通路及癌症转录失调等.GO分类表明差异基因主要富集在免疫反应、细胞凋亡过程等方面.WB检测部分差异基因的变化趋势,得到与转录组相一致的结果.该研究从转录组学角度去解释CAP抑制CAL-62细胞的机制,以期为CAP应用于甲状腺未分化癌治疗提供一定的理论基础.

大气压低温等离子体固氮技术研究进展

大气压低温等离子体技术因其温和、环保、经济等特点,已成为目前绿色固氮方向的研究热点。为此,主要对近几年来国内外大气压低温等离子体固氮研究进行概述,包括对等离子体活化固氮过程中的氧化和还原反应路径,不同催化剂、反应装置以及放电参数等实验条件对固氮性能的影响进行了总结与归纳。基于研究现状,进一步分析了等离子体固氮技术面临的主要问题与挑战,包括反应机理的深入探究、转化率如何进一步提高以及产业化可行性分析等问题。最后对未来大气压低温等离子体固氮技术的发展进行了展望。

低温等离子体射流处理对硅橡胶材料性能的影响研究

为解决硅橡胶电缆表面印字污染问题,本文提出利用低温等离子体射流对硅橡胶进行表面处理。以交流电源激励针-环结构电极产生氩气等离子体射流,对不同移动速度下的硅橡胶电缆表面进行动态处理,系统研究处理速度对硅橡胶电缆憎水性、沿面耐压和击穿性能的影响,通过SEM和EDS检测硅橡胶表面物理形貌和化学成分变化。结果表明:射流静态处理会导致材料表面温度升高,而动态处理可以显著降低温升。处理后硅橡胶的水接触角和闪络电压均有小幅度下降。随着处理速度增大,硅橡胶的憎水性和电气绝缘性能逐渐恢复。5mm/s处理条件下,硅橡胶表面抗油墨粘接性显著提高。结合物化特性结果可知,等离子体射流处理后硅橡胶表面交联聚合程度提高,界面分子扩散运动受到阻碍,进而降低了硅橡胶表面自黏性能。

氩气辅助激发大气压微波冷等离子体射流的研究

微波同轴谐振器已被广泛用作大气压等离子体射流的发生装置,其产生的等离子体射流已用于生物医学、材料表面处理等众多领域,大气压条件下微波放电等离子体源的功率阈值是影响其能否广泛应用的关键问题。文中设计的微波等离子体射流源工作频率2.6 GHz,回波损耗13.99 dB,工作气体为Ar气,大气压条件下产生紫色的丝状射流,击穿功率41.1 dBm(12.9 W),维持功率仅20 dBm(0.1 W)。结合实验观察和ANSYS Fluent流体力学仿真方法探究了等离子体射流长度与气体体积流量、输入功率的关系,发现层流状态下射流长度随气体体积流量增大而伸长,湍流状态下则反之,但不同气体体积流量下射流长度均随着输入功率单调增大。同时,实验发现关断Ar气后等离子体并未熄灭,而是诱发了同轴尖端附近位置的空气等离子体维持状态。在此基础上提出以Ar气或He气为先导气体,将其电离击穿后辅助激发难电离气体产生冷等离子体射流,在不需要提供高微波功率条件下实现了CO_(2)、N_(2)、O_(2)等冷等离子体射流。

双环状电极大气压等离子体射流的时间分辨诊断

大气压等离子体射流在众多领域中发挥着至关重要的作用,其中,拥有双环状电极结构的射流装置表现十分突出,此类装置具有结构简单、放电稳定的优势,并且产生的射流长度较长、温度较低.本工作利用ICCD相机采集技术,对高频高压交流电源驱动的双环状电极等离子体射流进行了纳秒级时间分辨诊断.研究发现,在一个完整的放电周期内,存在两个明显的放电阶段,分别位于外加电压的正、负半周期的峰值附近,并且在正半周期的放电阶段中,亮度、射流长度、放电发展速度均明显强于负半周期,值得注意的是,仅在负半周期的放电阶段中,才能观察到等离子体离开管口自主向前传播的现象.本工作对于了解等离子体动力学过程,揭示等离子体的行为规律及优化等离子体设备等诸多方面有积极地推动作用.

大气压射流等离子体引发PVC表面接枝聚合季铵盐及其抗菌性的研究

为了提高医用聚氯乙烯(PVC)抗菌性,采用大气压等离子体射流(APPJ)技术对PVC表面接枝并制备季铵盐(QAC)涂层。通过纹影仪和发射光谱仪诊断了等离子体射流的流动状态和活性组分,结合静态水接触角方法、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪表征和分析APPJ处理前后PVC表面的亲水性、微观形貌和化学组分,并测试了季铵盐/PVC对大肠杆菌的抗菌性能。结果表明,随着放电电压的增大,与PVC接触区域的等离子体射流流动状态从层流向湍流转变,PVC表面亲水性增强,改性后的PVC表面水接触角最低可达26°,含氧官能团含量高达31.02%(原子分数)。放电电压的增大,有助于PVC表面含氧官能团量的提升,并促进季铵盐在PVC表面的接枝和聚合形成致密涂层,提高其对大肠杆菌的抗菌性能。

大气压氩气微等离子体射流加工聚合物薄膜

为研究实验衬底电导率对于大气压微等离子体射流特性的影响,在处理聚合物薄膜表面的过程中,铜片、硅片、石英玻璃片分别作为实验衬底,对针-环型射流装置产生的微等离子体射流特性进行了实验分析。电特性结果表明,三种条件下的放电电流波形特点相同,仅存在数值上的差异,放电功率均随电压增大而增大,在相同条件下使用铜片时射流放电强度最强。对等离子体射流发射光谱进行采集,并计算三者气体温度和电子温度,结果表明三种条件下的射流气体温度范围在310~365 K,均接近室温,电子温度分别为2118、1958和1380 K,使用铜片时射流电子温度最高,可认为其具有更多的高能电子和活性物质。利用射流对聚合物薄膜的处理效率对结论进一步验证,三种条件下射流分别处理PET薄膜表面15 s,表面静态接触角从初始78.1°分别降至22.2°、26.3°、28.3°,可见使用高电导率的衬底有助于提高微等离子体射流的处理效率。这些研究结果对大气压低温等离子体射流加工聚合物薄膜工艺具有重要意义。

大气压氦等离子体射流传输及作用目标时空动态研究

在惰性气体为工作气体条件下,大气压等离子体射流通常是由具有周期传输特性的电离波组成.在大气压的条件下,基于时空分辨图像技术,研究了施加电压、电压脉冲宽度及气体流量对大气压纳秒脉冲氦等离子体射流传输及作用目标过程的时空动态特性的影响.实验结果表明电离波在空间中及作用表面后的传输行为受到了放电参数的显著影响.电离波喷出管口后,在潘宁电离和管口极化电场的共同作用下,电离波呈加速传输,之后其传输行为受到残余电荷、气体通道的建立和外加电场的共同作用影响.电离波与目标表面相互作用过程中,因表面极化电荷作用,其总电场矢量方向的改变造成了电离波在临近目标表面时发生“偏移”.