文 献 综 述

一.课题研究背景及意义

近年来，大气压射流等离子体应用到了各个领域，成了目前国际上技术领域的研究热点之一。在一定的温度和压力条件下，物质的状态（ 固、液、气态） 是可以相互转变的。如果对气态提供足够的能量，当气体的温度足够高时，构成分子的原子就会获得足够大的动能，开始彼此分离，能量大到一定程度时，一部分原子外层电子就会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这样的过程就称为气体的电离。电离的气体就称之为等离子体，它是由大量带电粒子（离子、电子） 和中性粒子（ 原子、分子、自由基等） 组成的系统。日常生活中很难接触到等离子体，但在自然界中 99%的物质都是以等离子形态存在的，我们的地球就是被一弱电离的等离子体所包围，在地球以外的宇宙空间绝大部分也都是等离子体，如太阳以及其他恒星、太阳风、很多的星际物质，而电弧、霓虹灯、日光灯中发光的气体等都是人造的等离子体。 等离子体的产生方式有气体放电法，光电离或激光辐射电离法，射线辐照法，燃烧法，冲击波法和场致电离法等。其中，气体放电法产生等离子体的方式主要有电晕放电（ corona discharge）、辉光放电（ glow discharge）、介质阻挡放电(dielectric barrier discharge， 以下简称 DBD)、大气压下辉光放电（ atmospheric pressure glow discharge） 等。 电晕放电产生的低温等离子体主要分布在极不均匀电场中的强电场区域，不适合工业大规模的应用，而且这种放电较弱，产生的等离子体及活性粒子的效率较低；辉光放电一般在低气压下进行，需要真空系统，在工业化处理过程中难以连续生产，生产效率低。和以上几种方式相比，介质阻挡放电具有均匀、漫散和稳定的特点，最有广泛的工业生产应用前景。介质阻挡放电(DBD)是一种有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式。 DBD 是产生常压低温等离子体的主要途径之一 ,能够在大气压下产生大体积、 高能量密度的低温等离子体,应用前景十分广阔,是适合大规模工业应用的一种气体放电形式。 目前 ,DBD 在臭氧合成、 CO2 激光器、 紫外光源、 等离子体显示、 材料表面改性和废气处理等方面均获得了广泛的应用。

大气压放电射流型等离子体的发展与近几年来迅速崛起的等离子体材料学、等离子体医学密切相关。目前，大气压放电射流型等离子体不仅在金属、金属氧化物、有机高分子聚合物、热敏感材料的表面亲水性及其化学活性的改性方面已有许多研究成果，同时，这些装置在等离子体医学中已成功用于细菌、真菌、体外凝血、癌细胞治理、牙齿美白等。在国际上，一些学者甚至将其用于慢性感染伤口的愈合、皮肤螨虫的治疗，且以优于传统方法的临床效果为佐证。国内对大气压放电射流型等离子体的研究相对较晚，且大多使用惰性气体（如氦气）放电，除进行材料表面改性、致病菌杀灭以外，在口腔医学、伤口治疗等领域的涉足相对较少。主要有华中科技大学、中国科学技术大学、中科院物理所、清华大学等高校与研究所。另外，大气压放电射流型等离子体自身所含有的高速运动自由基与处理对象间的碰撞反应是物理化学、空气动力学及微生物学等学科的高度交叉，目前的许多研究仍处于实验室阶段，与工业应用仍有相当的差距。

二.国内外现状

自美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi M博士在1996首次报道大气压放电射流型等离子体（Atmospheric Plasma Jet，APPJ）用于致病菌的杀灭以来，针对大气压放电射流型等离子体装置的结构设计、放电特性及应用研究，受到了材料、医学、环境、化工等领域诸多学者的广泛关注。与传统的气体放电等离子体相比较，大气压放电射流型等离子体的最大优势在于通过强气流将等离子体”吹”出放电腔，直接喷射到大气环境中，使得等离子体与高压电极分离，对操作者的安全性有极大提高。此外，从传统方式下的气体放电产生等离子体来看，其放电间隙仅限于毫米到几厘米量级，导致狭小空间内的带电粒子的活性与寿命受到影响，这就使得处理样品的尺寸受到极大限制，即使样品能够进入到放电间隙，也会对放电的稳定性带来影响，而大气压放电射流型等离子体的出现恰好克服了这些缺点。大气压放电射流型等离子体的发展与近几年来迅速崛起的等离子体材料学、等离子体医学密切相关。目前，大气压放电射流型等离子体不仅在金属、金属氧化物、有机高分子聚合物、热敏感材料的表面亲水性及其化学活性的改性方面已有许多研究成果，同时，这些装置在等离子体医学中已成功用于细菌、真菌、体外凝血、癌细胞治理、牙齿美白等。在国际上，一些学者甚至将其用于慢性感染伤口的愈合、皮肤螨虫的治疗，且以优于传统方法的临床效果为佐证。国内对大气压放电射流型等离子体的研究相对较晚，且大多使用惰性气体（如氦气）放电，除进行材料表面改性、致病菌杀灭以外，在口腔医学、伤口治疗等领域的涉足相对较少。主要有华中科技大学、中国科学技术大学、中科院物理所、清华大学等高校与研究所。另外，大气压放电射流型等离子体自身所含有的高速运动自由基与处理对象间的碰撞反应是物理化学、空气动力学及微生物学等学科的高度交叉，目前的许多研究仍处于实验室阶段，与工业应用仍有相当的差距。

国内也有研究，北京交通大学潘利江等人对几种电极下射流等离子体生成特性研究。首先,分别采用柱一环电极和单一柱电极两种电极结构,发现在柱一环电极条件下起始放电电压较低,而单柱电极在管外产生的射流量较多。对两种电极结构的进行电场分布仿真显示柱一环电极在管内形成了局部高场强,导致其起始放电电压相对较低,适用于制作低功率射流等离子体发生装置。

同样的，北京交通大学刘文正等人利用频率范围几十KHZ,电压幅值范围 0 一2 k 0 V 的高频高压电源,在一个大气压的环境下实现了氦气以及氦气与氢气的混合气体的介质阻挡辉光放电。通过改变极间电压、电源频率、气体流速 ,得到了不同条件下的放电现象和放电参数。

西安交通大学张冠军等人研究气体流速对Ar大气压等离子体射流的影响，首先对其 进行了实验研究，并通过建立二维轴对称模型，数值仿真了Ar气流在空气中的流速与摩尔分数分布。