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生非平衡放電等離子體，在材料表面處理、生物醫(yī)學工程、污水處理和環(huán)境保護等領域具備重要的科學研究意義和廣闊的實際應用前景。然而，現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構，存在著造價較高、等離子體反應室結構復雜、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用的實際需求。所以，改進現有的裝置，使其便攜且具有射流陣列，具有重要的意義。

【關鍵詞】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的Laroussi M博士首次提出大氣壓等離子體射流可用于醫(yī)學殺菌以來，對大氣壓等離子體射流裝置的研究和改進受到了人們的格外的關注。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、環(huán)境、化工等領域也都得到了應用。在國內，華中科技大學的盧新培教授制作了世界上唯一一種能放入牙齒根管內對根管進行殺菌的等離子體射流裝置。在國際上，一些學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，本裝置電路結構簡單，便于攜帶和使用，同時輸出使用了陣列結構，更加具有實用性。

1 作品結構及設計

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，電路參數將經過理論的計算和反復的調試更加精確。

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、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。為了便于調節(jié)輸入電壓，進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的DC—DC降壓模塊，該模塊通過精密可調電阻實現1.25V—36V連續(xù)可調，并通過數碼管實時顯示輸出電壓的數值，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驅動電路，用來驅動高壓包，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、內阻小、功率超強。然后輸出又通過二次升壓高壓包，進一步升高電壓，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生的等離子體體積小，不適合大面積處理。對單極的射流進行一維、二維上的擴展形成陣列結構（圖d），可產生大面積等離子體，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 實驗測試結果分析

本裝置的升壓模塊采用ZVS驅動模塊，ZVS驅動電路的最低驅動電壓為12V，所以實驗測試從14V開始測試，當電壓比較小時，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的實驗室數據。本裝置與傳統(tǒng)大氣壓等離子體射流裝置相比，具有電路結構簡單，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，展開進一步的研究，不斷完善裝置，以達到更好的效果。

參考文獻

[1]張冠軍，詹江楊，邵先軍等.大氣壓氬氣等離子體射流長度的影響因素[J].高電壓技術，2011，37（06）：1432-1438.

[2]董麗芳，毛志國，冉俊霞.氬氣介質阻擋放電不同放電模式的電學特性研究[J].物理學報，2005.54（07）：3268-3272.

[3]尹增謙，柴志方，董麗芳等.大氣壓氬氣放電中的斑圖形成[J].物理學報，2003，52（04）：925-928.

[4]羅海云，冉俊霞，王新新.大氣壓不同惰性氣體介質阻擋放電特性的比較[J].高電壓技術，2012，38（05）：1070-1077.

[5]布盧姆.脈沖功率系統(tǒng)的原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

作者單位

山東師范大學 山東省濟南市 250300