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摘 要

大气压低温等离子体不同于一般的等离子体，它同时拥有了高活性与温度低的优点，因此在医学以及工业方面拥有良好的应用前景。大气压等离子体射流 (atmospheric pressure plasma jet, APPJ) 技术是近一段时间兴起的大气压气体放电技术，它最大的优点就是能将非平衡等离子体引入开放空间中，从而分离了高压电极与产生的等离子体并由此提高了安全性。另一方面富含各种活性粒子的等离子体的温度在极端非平衡的条件下接近室温。这些特点使得这种技术能够很好的应用于医学方面与材料表面处理方面。关于等离子体射流的装置研发在国内外均已有所进展，但相关研究大部分局限于实验室实验，并且多用于气体放电以及等离子体特性试验。所用的等离子体射流装置大多数是电源与反应器分离的形式，另外因为实验所需的功率及调节范围限制，这些装置的体积相对较大、便携性不是很好。对此，本文设计一种一体化便携式等离子体射流发生装置，通过装置将低电压变为可用于气体放电的高电压，并成功在射流反应器内产生等离子体，再对整个装置放电的电气特性及光谱特性进行分析。

关键词：低温等离子体 介质阻挡放电 等离子射流 放电特性

Research on integrated portable plasma jet generator and its discharge characteristics

ABSTACT

Atmospheric pressure low temperature plasma is different from ordinary plasma, it has the advantages of high activity and low temperature, so it has good application prospects in medicine and industry. Atmospheric pressure plasma jet (APPJ) technology is an atmospheric pressure gas discharge technology that has emerged in recent times. Its biggest advantage is that it can introduce non-equilibrium plasma into an open space, thereby separating the high-voltage electrode and the generated plasma. And thus improve the security. On the other hand, the temperature of plasma rich in various active particles is close to room temperature under extremely non-equilibrium conditions. These characteristics make this technology can be well applied in medicine and material surface treatment. The research and development of plasma jet devices have progressed at home and abroad, but most of the research is limited to laboratory experiments, and is mostly used for gas discharge and plasma characteristics tests. Most of the plasma jet devices used are in the form of separate power supply and reactor. In addition, because of the power and adjustment range required for the experiment, the size of these devices is relatively large and the portability is not very good. In this regard, this paper designs an integrated portable plasma jet generation device, through which the low voltage is changed into a high voltage that can be used for gas discharge, and the plasma is successfully generated in the jet reactor, and then the electrical characteristics of the entire device are discharged And spectral characteristics.

Keywords: low temperature plasma; dielectric barrier discharge; plasma jet; discharge characteristics

目 录

摘 要 I

ABSTACT II

第一章 绪论 1

1.1 低温等离子体 1

1.2 等离子体射流 1

1.3 国内外大气压等离子射流发生装置的研究现状 2

1.4 装置设计简介及研究内容 4

第二章 电源部分设计 6

2.1 脉冲电源 6

2.2脉冲电源工作原理 7

2.2.1电容储能阶段 7

2.2.2 电容放电阶段 8

2.3 直流电源模块 8

2.4 升压模块 12

2.5 脉冲控制模块 12

2.6 反激变压模块 17

第三章 射流反应器设计 18

3.1 射流反应器及其原理 18

3.2 电极结构的选型及设计 20

第四章 装置放电特性诊断 24

4.1 放电特性诊断方法与平台 24

4.2 不同电压幅值对于装置放电特性的影响 24

4.2.1电气特性 24

4.2.2发光图像 26

4.2.3光谱特性 26

4.2.4小结 28

4.3 反应器高压电极的位置对装置放电特性的影响 28

4.3.1电气特性 28

4.3.2放电图像 29

4.3.3光谱特性 30

4.3.4小结 31

4.4本章小结 31

结语 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 低温等离子体

等离子体是除了我们一般认知中的固体、气体、液体三种常见状态之外的第四种物质的存在状态。它的主要成分包括原子，分子，电子以及各种正负离子所构成。等离子体的理化性质是由其所构成的粒子所决定的，这些粒子在不同的温度下有不同的定义，本文所研究的低温等离子体就是其中一种定义，它主要的产生方式为气体放电，由于其相对简单的生产方式与广阔的应用前景，国内外研究人员对其关注与研究力度也在不断加大并得到了大量应用。低温等离子体若处于非热力学平衡状态，其宏观温度可低至室温，但同时又保持有较高的化学活性，能够发生正常条件下难以进行的化学反应，其温度低、活性高的突出优势使得低温等离子体在生物医学、环境保护、新能源制备、材料表面改性和薄膜沉积等领域有重要的研究潜力。

低温等离子体的应用源于其粒子与基团的理化性质，且不同的工作气体可以产生不同的带电粒子，具有不同的作用效果。例如大气压空气等离子体射流中包含大量氮氧离子，这些离子与细菌细胞膜发生反应进而灭活细菌，同时可以促进血小板凝结，因此应用于伤口愈合，口腔医学等领域。如果在产生等离子体的工作气体中添加含Si、F的化合物，所产生的等离子体则容易在作用对象表面引入Si、F元素，进而改变其表面属性。在工业方面，则利用等离子体的这一性质处理材料表面，改善材料的亲水性、疏水性、沿面耐压等表面特性，从而提高材料表面性能以满足实际工业应用的需求。再如低温等离子体中的活性粒子可以与有机物反应，有效去除有机污染物和氧化物，能够用于污水或土壤处理，也能用作清洗的材料。

1.2 等离子体射流

目前常见的等离子射流生产方法基于不同的放电结构简单来说可以分为以下几类：介质阻挡放电、空心阴极放电与射流放电等。在这些放电方式中射流放电是新兴的一种气体放电技术，它以其他放电形式为基础，通过流场与电场的共同作用，将等离子体带出放电区域，摆脱了传统放电中电极在几何空间上的限制，从而得以实现在开放环境下的等离子体应用，具有高度的灵活性，在材料表面处理、薄膜沉积以及生物医等方面发挥重要的作用，有着独特的应用前景。

1.3 国内外大气压等离子射流发生装置的研究现状

典型的针电极结构射流放电例如荷兰Eindhoven大学Kieft教授等人于2002年设计的一种被称为“等离子体针(Plasma Needle)”的射流装置，他们将这种装置用于医学领域并在实际应用中取得了良好的效果。而另一种典型的针电极结构则是由韩国亚洲大学Uhm教授所带领的研究小组在2006年提出的，他们所设计的“针状”大气压冷等离子体射流源如图1-1（b）所示，这根毫米量级的中空金属毛细管既与气源相连，又与功率电源相连，因此它在具有功率电极功能的同时也承担了发生装置进气口的作用^[8]。2009年，Lu以及他的研究人员在上述电极结构的基础上研制了一种用于牙根管内部消毒杀菌处理的细管针电极射流源，并且实际应用验证了其杀灭粪肠球菌的效果，此射流源同时也具有结构简单可靠以及温度低和对人体没有损伤等特点^[8]。

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