脉冲电压上升沿对He大气压等离子体射流管内放电发展演化特性的影响

通过仿真和实验相结合的手段,以直流脉冲电压驱动的双环电极结构He大气压等离子体射流为例,研究了电压上升沿时间对管内放电等离子体发展演化特性的影响.随着电压上升沿的改变,管内介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)区出现空心和实心两种放电模式.上升沿为纳秒和亚微秒量级时,以空心模式发展,上升沿持续增加后转变为实心模式.放电模式本质上受鞘层厚度、管内电场和表面电荷密度分布的影响,鞘层厚度小于1.8 mm时等离子体通常以空心模式传播,等于1.8 mm时等离子体的径向传播范围有限而转变为实心传播.管内DBD区,电场以轴向分量为主时,等离子体以放电起始时的模式传播;而在地电极内部,由于外施电场方向发生径向偏转,同时管壁沉积的正电荷形成径向自建电场,两者叠加形成的强径向电场致使放电以空心模式传播.

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.

大气压栅状介质阻挡放电等离子体空气消毒研究

空气净化与消毒是控制呼吸道传染性疾病的有效途径。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)用于空气消毒具有高效、大面积放电、低风阻等优势,但目前对其空气消毒特性、消毒因子和消毒剂量的研究不足。文中介绍了清华大学电机系气体放电与等离子体研究团队近期关于栅状DBD等离子体空气消毒的研究进展。杀菌特性方面,重点研究了放电结构参量、湿度、微生物种类、电压类型等因素的影响,发现缩小间隙、增大电极尺寸、增加气流湿度均可提高杀菌效率和能量效率(Z值),相对湿度为60%时装置Z值可达1.68L/J;对MS2噬菌体气溶胶的单次通过净化效率可达99.5%~99.9%。杀菌因子方面,实验发现短寿命气相粒子是细菌气溶胶灭活的主要因子,长寿命粒子作用至多占总杀菌作用的30%。杀菌剂量方面,提出以比能量密度作为等离子体空气消毒的剂量参数,并基于湿空气放电的化学反应动力学模型,发现单粒子剂量与功率密度的线性关系,揭示了比能量密度作为剂量的机制。该研究可为介质阻挡放电空气消毒提供理论和工程应用支撑。

冷大气压等离子体诱导的交变电场对白细胞介素-6结构及功能的影响

冷大气压等离子体(cold atmospheric plasma,CAP)由于其具有“选择性”杀伤癌细胞的效果,而被认为是一种极具潜力的癌症治疗手段.CAP可以通过降低关键炎症因子白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)的表达,抑制肿瘤炎症反应并激活免疫系统.然而CAP携带的强交变电场对IL-6构象及功能的影响仍缺乏了解.本文采用分子动力学方法,模拟了不同频率及强度的交变电场对IL-6构象及其与受体对接过程的影响.结果表明,当电场频率小于30 MHz且电场强度大于0.5 V/nm时,IL-6的平均偶极矩增大,长螺旋间维持稳定的盐桥断裂,α螺旋数量减少,从而影响了IL-6与其受体的结合,对其发挥正常生物效应机制产生潜在影响.本文从微观层面上解释了CAP诱导的电场通过IL-6影响相关生物学效应的内部相互作用机制,并为实际应用CAP治疗肿瘤炎症的参数选取、探索有效的癌症治疗策略提供重要的理论依据.

大气压微波放电CO_(2)等离子体温度的发射光谱诊断

大气压微波等离子体因具有活性粒子密度高、气体温度高、能量转换效率高、可控性好等独特优势,在分解和转化二氧化碳治理环境领域展现出重要的应用价值。以大气压微波等离子体的二氧化碳分解与转化为应用背景,开展了大气压微波等离子体的放电特性与温度参数的测量和诊断研究。通过研究等离子体炬的放电形态的变化规律,分析了大气压二氧化碳等离子体的放电特点;利用发射光谱的诊断方法,分析了二氧化碳放电区内产生的C_(2)分子的转动温度,得到了二氧化碳等离子体内不同位置在不同功率和不同气体流量下的放电形态以及温度的变化规律。研究结果表明,这种大气压微波等离子体的放电形态呈现明亮的中心放电区和外围的余辉区,且这两个区域存在清晰的边界;放电区的长度随微波功率增加接近线性增长,受送气流量大小的影响微弱。等离子体发射光谱诊断结果显示,大气压微波等离子体放电过程中,主放电区中除了化学荧光连续谱外还存在很强的C_(2)分子的Swan谱带;基于这一谱带计算得到的主放电区等离子体温度约为6 000 K,且这一温度几乎不随功率和气流的变化;不同中心放电区位置,温度略有变化(±100 K)。

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。

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。

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.

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。

典型大气压冷等离子体射流的剂量评估

在大气压冷等离子体(Cold atmospheric plasma,CAP)的生物医学应用中,不同强度的CAP处理生物材料会带来具有显著差异的作用效果。因此,引入等离子体剂量来定量化描述等离子体对材料的作用量,从而获得理想的CAP处理效果,对于推动CAP的生物医学应用具有十分迫切的需求。药学中常采用“半数致死剂量(LD_(50))”描述药物毒性,而我们前期的研究工作表明该方法也适用于等离子体剂量的评估,且具有通用性强、操作便捷等特点。本论文基于LD_(50)-等离子体剂量评估方法获得了大气压射频辉光放电等离子体射流处理人体胚胎肾293细胞的LD_(50)数值,并与另一种典型CAP源,即大气压介质阻挡放电等离子体射流的剂量值进行了对比和分析。本论文工作进一步验证了LD_(50)-等离子体剂量评估方法的可靠性和便捷性,也为两种典型CAP源在生物医学等领域的实际应用提供了一定的理论指导和剂量参考。

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”.

针环式电极大气压下氩气等离子体射流长度影响因素研究

为掌握反应器结构参数和放电参数对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的射流长度的定量影响,设计了多结构的针-环式电极氩气等离子体射流装置,分别研究了放电电压、电极间隙、高压电极放电末端与接地电极的距离及氩气体积流量对射流长度的影响,并采用发生光谱法对该反应器产生的等离子体电子激发温度进行了计算。结果表明:等离子体射流的最大长度可达80 mm;高压电极放电末端与接地电极之间的距离越大,射流长度越长但不是线性增长;射流长度随电极间隙的增加呈现先增大后减小的趋势且在电极间隙为4.5 mm时该射流达到最大长度;随着氩气体积流量的增加,等离子体射流长度也呈现出先增大后减小的趋势且减小的幅度较低;电子激发温度在高压电极和接地电极处较高,两电极之间部分次之,在石英管出口处会有比较明显的下降。

大尺度大气压均匀介质阻挡放电等离子体射流的生成特性研究

搭建了一种能够生成大尺度大气压氮气均匀介质阻挡放电等离子体射流的电极结构实验装置。利用电场仿真软件和流体仿真软件研究了该电极结构的电场分布和流场分布;通过实验,分别对放电特性和射流特性进行研究。结果表明:采用厚度不均匀的阻挡介质,有利于在放电间隙中形成产生起始放电的亚毫米间隙,有利于沿电子崩的发展方向形成产生均匀放电的先大后小的电场分布,进而在大气压氮气或空气中实现较大区域的均匀介质阻挡放电。在实验中,利用气流的作用,在大气压氮气中实现了长10 mm、宽15 mm的大尺度等离子体射流。

电极尺寸对射流等离子体放电的影响及其在涤纶亲水研究中的应用

大气压脉冲介质阻挡放电射流等离子体中,羟基活性粒子的生成和调控对于等离子体在材料表面改性方面的应用具有重要意义,而羟基活性粒子的形成和调控又与放电结构密切相关。研究了接地电极宽度对大气压脉冲放电射流等离子体的影响:通过改变接地电极宽度,探究其对射流长度、放电强度的影响;通过增强型电荷耦合器件(ICCD)对放电时空演化进行分析;通过发射光谱分析放电产生的特征谱线。结果表明:当接地电极的宽度为1.5 cm时,射流长度最长;在射流3 mm处,有较强的羟基活性粒子浓度。利用大气压脉冲射流等离子体处理涤纶织物表面,验证了气相等离子体中羟基含氧基团与涤纶表面亲水处理效果的正相关性,为等离子体中活性粒子的控制和开发工业用等离子体源提供了参考。

特征信号图像测速法在超声速多组分等离子体射流中的应用

高速稀薄等离子体流场在航空航天领域有重要的应用.等离子体射流不同于常规的气体或液体的流动,其内部的电离状态、丰富的反应活性、多样的特征尺度、热平衡与非平衡共存等特点导致传统测速方法难以应用.特征信号图像测速法(SSIV)通过将羽流光强波动作为示踪信号来测量流体速度,从而拥有更好的流体跟随性和测量精度.利用低气压(约为100 Pa)直流电弧等离子体实验平台,文章基于特征信号图像测速方法,通过跟踪发生器输入功率周期变化引起的光强波动来测量纯氩以及氩-氦多组分两种工况下的羽流轴向平均速度分布.将中心波长为696.5 nm的窄带滤光片安装到光学镜头上,进一步获取两种工况下氩原子(ArI)单一谱线所对应的射流速度.结果分析表明,相同工况(电功率、气体质量流量及背景气压)下,氩-氦多组分等离子体的射流平均速度显著高于纯氩等离子体射流的平均速度.并且在氩-氦多组分等离子体的射流中,基于整体光强波动得到的射流速度要明显高于基于Ar I特征谱线获得的速度,表明SSIV方法不仅能够测量可压缩等离子体射流的平均速度,还具有分辨不同组分速度场的能力.研究结果展示了特征信号图像测速方法在复杂流场测量中的适用性和优势.

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。