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摘 要

大气压低温等离子体凭借其具有低温和高活性的非平衡特性的特点，作为一种新型的分子活化手段，被广泛运用与材料表面改性、有机物降解和生物医学等领域。尤其是在生物医学领域，低温等离子体已经被证实具有独特的处理效果和效率。根据现实需求，研究人员们设计了不同类型的介质阻挡放电装置和大气压低温等离子射流。但这些装置依然存在很大的不足，这些装置的体积十分庞大难以灵活移动处理，且受限于电极结构，射流只适合用于较小面积的处理。因此，如何根据低温等离子体生物医学应用的需求，设计出一种能在空气中工作来产生较大面积等离子体，并能灵活操作的适合对人体或生物组织进行大面积处理的等离子体发生装置，显得尤为重要。

对此，论文设计了一种便携式悬浮电极介质阻挡放电装置，通过合理的设计放电整体电路，对装置各个部分的参数进行选型，组装了实验装置。然后通过所建立的实验装置诊断平台研究了不同参数条件下装置的各种特性，如电气特性、光谱特性和发光特性等。论文还通过建立等效电路模型来对人体电学安全进行分析；通过红外热成像仪拍摄装置工作时温度的变化来分析装置人体接触的热学安全性。

经过一系列实验得知，本文设计的装置最优运行参数为8 kV，1000 Hz，能够在大气压空气中产生多种激发态的N2活性粒子，可实现对伤口进行杀菌处理，并且装置可以在该参数设置下离线工作60分钟以上。装置放电流经人体的电流有效值不超过2 mA，消耗在人体上的功率小于1 W，因此人体能够被长时间安全处理。

关键词：低温等离子体 介质阻挡放电 人体接触 放电特性 悬浮电极

Design and Characteristic Study of Portable Suspended Electrode Dielectric Barrier Discharge Device

ABSTACT

Atmospheric pressure low-temperature plasma, with its non-equilibrium characteristics of low temperature and high activity, has been widely used in the fields of material surface modification, organic degradation and biomedicine as a new means of molecular activation. Especially in the field of biomedicine, low temperature plasma has been proved to have unique processing effect and efficiency. According to the actual needs, the researchers designed different types of dielectric barrier discharge devices and low-temperature plasma jets at atmospheric pressure. However, these devices still have a lot of shortcomings. The volume of these devices is very large, which is difficult to be flexibly moved for processing, and due to the limited electrode structure, the jet is only suitable for processing of small areas. Therefore,, it is particularly important to design a plasma generating device that can work in air to generate a large area of plasma according to the requirements of low-temperature plasma biomedicine application and can operate flexibly for large area treatment of human body or biological tissue.

In this paper, a portable dielectric barrier discharge device with suspended electrode is designed. The parameters of each part of the device are selected and the experimental device is assembled by reasonably designing the whole discharge circuit. Then, various characteristics of the device under different parameter conditions, such as electrical characteristics, spectral characteristics and luminescence characteristics, were studied through the established diagnostic platform of the experimental device. The equivalent circuit model is established to analyze the electrical safety of human body. The thermal safety of human body contact is analyzed by the change of the working temperature of the infrared thermal imager.

After a series of experiments, it is known that the optimal operating parameters of the device designed in this paper are 8 kV and 1000 Hz, which can generate a variety of N2 active particles with excited states in atmospheric pressure air and can sterilize the wound, and the device can work offline for more than 60 minutes under this parameter setting. The effective value of the current flowing through the human body during the discharge of the device is no more than 2 mA, and the power consumed on the human body is less than 1 W, so the human body can be safely treated for a long time.

Key words: low-temperature plasma jet array；Dielectric barrier discharge（DBD）；Human body-touchable ；Discharge characteristic；Floating electrode

目录

第一章 绪论 1

1.1 低温等离子体 1

1.1.1 低温等离子体简介 1

1.1.2低温等离子体的产生方式 1

1.1.3低温等离子体的应用 2

1.2等离子体生物医学 2

1.2.1 等离子体生物医学作用机制 2

1.2.2 等离子体生物医学应用领域 3

1.2.3 生物医学低温等离子体装置 3

1.3国内外研究现状 3

1.3.1国内研究现状 3

1.3.2国外研究现状 5

1.3.3研究现状总结 6

1.4 本课题研究的目的和意义 6

1.4.1课题研究意义 6

1.4.2课题研究目的 8

1.4.3关键技术问题 8

第二章 便携式悬浮电极装置设计 9

2.1 装置设计要求 9

2.2 整体电路设计 9

2.3 电源设计 9

2.3.1电路设计 10

2.3.2各元件的参数选择 10

2.3.3多参数变化时电源空载输出波形 13

2.4 反应器设计 14

2.5 壳体设计 16

2.6.1外壳部分 17

2.6.2 壳盖 17

2.6.1实物图 18

2.6本章小结 18

第三章 装置放电特性研究与优化 19

3.1 光学特性 19

3.1.1发光图像 19

3.1.2光谱特性 20

3.2 电气特性 20

3.2.1电压电流波形 20

3.2.2 不同频率下的电流峰值随电压幅值变化 21

3.2.3 不同频率下装置功率与能量效率 21

3.3 不同电压幅值对装置放电特性及温度特性的影响 22

3.3.1 不同电压幅值对装置放电特性的影响 22

3.3.2 不同电压幅值对温度的影响 24

3.4稳定性与续航能力 26

3.5 本章小结 27

第四章 人体接触安全性分析 28

4.1 人体接触电学安全性分析 28

4.1.1 人体等效模型 28

4.1.2 FE-DBD电路模型 29

4.2 人体接触热学安全分析 31

4.3本章小结 33

第五章 结论与展望 34

5.1全文总结 34

5.2今后工作的展望 34

参考文献 35

致谢 38

第一章 绪论

1.1 低温等离子体

1.1.1 低温等离子体简介

等离子体主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基等组成，整体呈电中性，它广泛存在于宇宙中,占宇宙空间可见物质总量的99%，常被视为是除去固态、液态、气态外，物质存在的第四态，它是气体在放电过程中产生大量的正负带电粒子、电子和中性粒子以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体[1]。

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