1.课题名称

脉冲电源驱动的等离子体射流的仿真与实验研究

2.概论

对于低气压放电，由于气体的密度较低，电子与中性粒子的碰撞频率也比较低，因此电子在电场的作用下比较容易获得较高的能量。这就使得电离较为容易发生，导致在低气压条件下比较容易获得较高密度的等离子体，此时活性粒子的浓度也相对较高，同时还能保证气体的温度保持在较低的水平。这就使得低气压非平衡等离子体在工业中具有广泛的应用，如等离子体刻蚀、材料表面改性与清洗、改善材料的生物兼容性、生成纳米材料等。此外，在低气压下比较容易产生均匀的等离子体，这对于许多应用，如表面改性、刻蚀等是至关重要的。然而，低气压下产生等离子体具有一个致命的缺点，即真空系统是不可避免的。这就使得低气压等离子体只能用于那些具有高附加值且适合于真空条件下的应用。

为了克服低气压等离子体的缺点，研究者在大气压条件下通过放电产生了非平衡等离子体，从而避免了复杂且昂贵的真空系统。但是在大气压下产生非平衡等离子体，人们面临着诸多困难，其中包括等离子体的气体温度都相对比较高、容易过度到非均匀放电和弧光放电等。在过去的２０多年里，人们采用了多种手段去克服这些问题，如介质阻挡放电，从而使得在大气压下产生均匀的、气体温度较低的非平衡等离子体变为可能。但是，在大气压下放电，由于气体的击穿电压较高，因此放电间隙通常在几ｍｍ到几ｃｍ的量级，这就使得被处理样品的尺寸受到了限制。此外，有的样品放到放电间隙中还会影响放电的稳定性。如果将被处理物放置在放电间隙外，通过气体流动的方法使放电所产生的活性粒子输运到样品表面来达到处理目的，则带电粒子及一些寿命较短的活性粒子在到达样品前就可能已经消失了，从而大大降低了处理效果。

为了克服上述缺点，近年来研究者研制出了大气压非平衡等离子体射流。由于大气压非平衡等离子体射流能够在开放的空间、而不是在间隙内产生大气压非平衡等离子体，这就使得许多应用的实现成为可能。正是由于这个显著优点，近年来在国际上上掀起了大气压非平衡等离子体射流的热潮。

3.仿真研究机理

大气压低温等离子体射流基本放电形式是介质阻挡放电(DBD)，大气压低温等离子体射流基本放电形式是介质阻挡放电，同时因为有快速气流吹动，气流的存在可以进一步抑制放电过程中可能产生的放电通道过于集中的问题，有利于产生一种稳定而均匀的放电形式；此外，气流的吹动可以把放电空间产生的一些活性成分、激发态粒子、甚至荷电粒子导出放电空间区域，这样就可以实现放电区域与工作区域的分离，使这种放电等离子体发生器具有更大的实用性。

介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为10～10000。电源频率可从50Hz至1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。

卢新培在医学领域对等离子体射流的应用展开了研究。首先对大气压非平衡等离子体射流的研究现状进行阐述，结合作者课题组所作的研究以及国内外其他研究者的成果，分别介绍几种以惰性气体、氮气和空气作为工作气体的典型的等离子体射流。此外，由于等离子体医学的发展与等离子体射流的发展是紧密联系的，还简要介绍了等离子体医学的发展历史并对等离子体医学的两个代表性的研究方向。即等离子体射流在口腔医学和诱导癌细胞凋亡这两个研究方向的最新研究成果作了概述。最后对等离子体射流和等离子体医学所面临的一些问题及未来的研究方向进行了展望。