便攜式大氣壓等離子體射流陣列

包希浩++姚曉彤++王珊++張浩

摘 要大氣壓等離子體射流能夠在大氣壓條件下產(chǎn)生非平衡放電等離子體，在材料表面處理、生物醫(yī)學(xué)工程、污水處理和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具備重要的科學(xué)研究意義和廣闊的實際應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的大氣壓等離子體射流裝置往往需要較為昂貴的外接電源、大多以惰性氣體作為工作氣體且一般采用單極放電結(jié)構(gòu)，存在著造價較高、等離子體反應(yīng)室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、等離子體處理面積較小等問題，難以滿足大氣壓非平衡等離子體工程應(yīng)用的實際需求。所以，改進(jìn)現(xiàn)有的裝置，使其便攜且具有射流陣列，具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】大氣壓等離子體射流 空氣放電 便攜 射流陣列

從1996年美國弗吉尼亞老道明大學(xué)的Laroussi M博士首次提出大氣壓等離子體射流可用于醫(yī)學(xué)殺菌以來，對大氣壓等離子體射流裝置的研究和改進(jìn)受到了人們的格外的關(guān)注。與傳統(tǒng)的低氣壓放電相比，大氣壓等離子體放電具有更加廣闊的應(yīng)用前景，由于它是在大氣壓下放電，所以去除了昂貴且極其繁瑣的真空系統(tǒng)，這使得它的應(yīng)用成本大大降低。同時傳統(tǒng)低氣壓放電的放電間隙僅限于毫米到幾厘米量級，會使得狹小空間內(nèi)的帶電粒子的活性和壽命受到巨大的影響，而且處理樣品的尺寸也受到巨大的限制，這使得早期的等離子體射流無法得到廣泛的應(yīng)用，僅僅停留在實驗室階段。大氣壓等離子射流可以直接接觸皮膚，有很強的安全性，在材料、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、化工等領(lǐng)域也都得到了應(yīng)用。在國內(nèi)，華中科技大學(xué)的盧新培教授制作了世界上唯一一種能放入牙齒根管內(nèi)對根管進(jìn)行殺菌的等離子體射流裝置。在國際上，一些學(xué)者用其來處理慢性感染傷口和皮膚的螨蟲。

最近幾年，研究者們開始對等離子體射流進(jìn)行大尺度的擴展，以多個小尺度的射流為基本單元，通過不同的排列方式，可以得到更大面積的等離子體射流，成為射流陣列。因為射流陣列具有更大放射面積，等離子體射流陣列可以適應(yīng)不同面積和不同體積的處理對象，更加靈活而且使用。本文主要介紹了一種便攜式大氣壓等離子體射流陣列，本裝置電路結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶和使用，同時輸出使用了陣列結(jié)構(gòu)，更加具有實用性。

1 作品結(jié)構(gòu)及設(shè)計

1.1 總體介紹

該便攜式空氣等離子體射流陣列的外觀是手電筒形，內(nèi)部電路全部放入了電筒外殼中，發(fā)射部分由3*3陣列組成，可以發(fā)射出均勻的等離子體射流。整體小巧、便攜，改善了以往發(fā)生裝置過于復(fù)雜，龐大的問題，更加有利于等離子體射流裝置的普及和推廣。本作品無需外接電源電路和放電氣體供氣系統(tǒng)，重量較輕（≤5kg），尺寸較小（≤20cm×8cm×5cm），能夠在開放的空氣環(huán)境中產(chǎn)生較為均勻的大面積（≥2.25cm2）大氣壓等離子體射流。本項目采取仿真模擬、實驗研究和理論分析相結(jié)合的方式，通過研制電源與中間電路、測量放電等離子體電氣特性和探討電路參數(shù)對等離子體射流的影響，做出符合要求的大氣壓等離子體射流裝置，電路參數(shù)將經(jīng)過理論的計算和反復(fù)的調(diào)試更加精確。

1.2 電源模塊

供電模塊首先采用一個交流220V轉(zhuǎn)交流17V的變壓器，然后通過一個整流、濾波模塊，該模塊采用優(yōu)質(zhì)、高效的整流二極管和大容量、高耐壓值的電容，最后為穩(wěn)定輸出又采用高效的三端穩(wěn)壓器 LT1083CP得到穩(wěn)定的17V直流電壓。為了便于調(diào)節(jié)輸入電壓，進(jìn)而改變等離子體射流的強弱，在該模塊后又添加了一個可調(diào)的DC—DC降壓模塊，該模塊通過精密可調(diào)電阻實現(xiàn)1.25V—36V連續(xù)可調(diào)，并通過數(shù)碼管實時顯示輸出電壓的數(shù)值，保證了整體裝置的穩(wěn)定性。

1.3 升壓模塊

本模塊是一個ZVS驅(qū)動電路，用來驅(qū)動高壓包，功率大、發(fā)熱低、可靠性高，電壓約為輸入電壓的800倍左右。采用IRFP260N為功率管，電流大、內(nèi)阻小、功率超強。然后輸出又通過二次升壓高壓包，進(jìn)一步升高電壓，最后在得到高壓的次級電壓。

1.4 射流陣列模塊

傳統(tǒng)的等離子體射流裝置產(chǎn)生的等離子體體積小，不適合大面積處理。對單極的射流進(jìn)行一維、二維上的擴展形成陣列結(jié)構(gòu)（圖d），可產(chǎn)生大面積等離子體，具有更強的處理靈活性和實用性。本裝置通過升壓模塊得到的次級電壓，最后接一直徑為2cm厚度為1mm的金屬圓盤，在圓盤上有序放置9個長度為4cm的金屬針，用來實現(xiàn)等離子體射流。為了使輸出的等離子體射流更加彌散和均勻，在升壓模塊和放電電極之間又加了一個5MΩ的玻璃釉電阻，使整個電路更加穩(wěn)定。

2 實驗測試結(jié)果分析

本裝置的升壓模塊采用ZVS驅(qū)動模塊，ZVS驅(qū)動電路的最低驅(qū)動電壓為12V，所以實驗測試從14V開始測試，當(dāng)電壓比較小時，等離子體射流很弱，逐漸升高電壓，在22V左右時本裝置可以輸出最強的等離子射流，此時的射流仍會有伴有很少的絲狀放電。在固定輸入電壓為23V時，輸出電阻選取5MΩ的玻璃釉電阻時，可以得到最強的等離子體射流，并且此時放電更加均勻，更加彌散。

3 總結(jié)與展望

本文首先說明了大氣壓等離子體射流的研究背景，總結(jié)了不同發(fā)射裝置的優(yōu)缺點，為了改善傳統(tǒng)的發(fā)射裝置的弊端，本文介紹了一種新型的等離子體發(fā)生裝置，并給出了部分電路參數(shù)的實驗室數(shù)據(jù)。本裝置與傳統(tǒng)大氣壓等離子體射流裝置相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單，無需強氣流把等離子體吹出，便攜等優(yōu)點，輸出能夠基本達(dá)到要求。但是在輸入電壓變化的情況下，輸出的等離子體仍會伴有很少的絲狀放電，而且因為是在空氣中直接實現(xiàn)射流，所以射流的長度受限，因此有必要針對這些問題，展開進(jìn)一步的研究，不斷完善裝置，以達(dá)到更好的效果。

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作者單位

山東師范大學(xué) 山東省濟(jì)南市 250300