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(shí)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(jià)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(wèn)題，難以滿(mǎn)足大氣壓非平衡等離子體工程應(yīng)用的實(shí)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(guó)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(lái)，對(duì)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(shí)傳統(tǒng)低氣壓放電的放電間隙僅限于毫米到幾厘米量級(jí)，會(huì)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(wú)法得到廣泛的應(yīng)用，僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。大氣壓等離子射流可以直接接觸皮膚，有很強(qiáng)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(guó)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(duì)根管進(jìn)行殺菌的等離子體射流裝置。在國(guó)際上，一些學(xué)者用其來(lái)處理慢性感染傷口和皮膚的螨蟲(chóng)。

最近幾年，研究者們開(kāi)始對(duì)等離子體射流進(jìn)行大尺度的擴(kuò)展，以多個(gè)小尺度的射流為基本單元，通過(guò)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?yàn)樯淞麝嚵芯哂懈蠓派涿娣e，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(duì)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(jiǎn)單，便于攜帶和使用，同時(shí)輸出使用了陣列結(jié)構(gòu)，更加具有實(shí)用性。

1 作品結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 總體介紹

該便攜式空氣等離子體射流陣列的外觀(guān)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(guò)于復(fù)雜，龐大的問(wèn)題，更加有利于等離子體射流裝置的普及和推廣。本作品無(wú)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?。ā?0cm×8cm×5cm），能夠在開(kāi)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(xiàng)目采取仿真模擬、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方式，通過(guò)研制電源與中間電路、測(cè)量放電等離子體電氣特性和探討電路參數(shù)對(duì)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(guò)理論的計(jì)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(gè)交流220V轉(zhuǎn)交流17V的變壓器，然后通過(guò)一個(gè)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(qiáng)弱，在該模塊后又添加了一個(gè)可調(diào)的DC—DC降壓模塊，該模塊通過(guò)精密可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)1.25V—36V連續(xù)可調(diào)，并通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)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(gè)ZVS驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)。然后輸出又通過(guò)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(jí)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(duì)單極的射流進(jìn)行一維、二維上的擴(kuò)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(qiáng)的處理靈活性和實(shí)用性。本裝置通過(guò)升壓模塊得到的次級(jí)電壓，最后接一直徑為2cm厚度為1mm的金屬圓盤(pán)，在圓盤(pán)上有序放置9個(gè)長(zhǎng)度為4cm的金屬針，用來(lái)實(shí)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(gè)5MΩ的玻璃釉電阻，使整個(gè)電路更加穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

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

3 總結(jié)與展望

本文首先說(shuō)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單，無(wú)需強(qiáng)氣流把等離子體吹出，便攜等優(yōu)點(diǎn)，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(huì)伴有很少的絲狀放電，而且因?yàn)槭窃诳諝庵兄苯訉?shí)現(xiàn)射流，所以射流的長(zhǎng)度受限，因此有必要針對(duì)這些問(wèn)題，展開(kāi)進(jìn)一步的研究，不斷完善裝置，以達(dá)到更好的效果。

參考文獻(xiàn)

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

[2]董麗芳，毛志國(guó)，冉俊霞.氬氣介質(zhì)阻擋放電不同放電模式的電學(xué)特性研究[J].物理學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(zhì)阻擋放電特性的比較[J].高電壓技術(shù)，2012，38（05）：1070-1077.

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

作者單位

山東師范大學(xué) 山東省濟(jì)南市 250300