含水空气等离子体射流特性、机理及应用研究

摘要

等离子体中含有丰富的活性氧化物和活性氮化物，在灭菌、牙齿美白、止血等医学领域具有举足轻重的作用。而·OH具有强氧化性，可将有机物彻底分解成无毒的CO2和H2O，绿色环保，同时对细菌的杀灭具有广谱性，因此提高·OH的含量对等离子体射流的应用具有重要的意义。为了提高·OH的产量，本文设计并制作了一种针-环等离子体射流装置，该装置可以使用空气作为工作气体，通过增加工作气体湿度的方法，对含水空气等离子体射流的特性、机理和应用进行研究。
　　首先，使用稳压直流电源激励针-环等离子体射流，研究电流、含水空气比例、气流量对射流长度、温度及·OH和O的产量影响。随着含水空气比例的增加，射流的长度明显缩短，温度提高。同时，工作气体中含水空气比例增加，·OH的产量明显增加但是 O的产量降低。使用该稳压直流等离子体射流进行灭菌实验，发现含水等离子体射流具有明显的灭菌效果，含水空气比例100％时灭菌率高达93%，远高于含水空气比例0%时的灭菌率。
　　其次，由于稳压直流含水空气等离子体射流的温度较高，因此提出使用脉动直流源激励含水等离子体射流。实验发现，脉动直流等离子体射流具有良好的降温效果。随着含水空气比例的增加，两种等离子体射流·OH的产量均明显增加，O的产量降低。综合考虑温度和 ROS的产量，发现含水空气比例100%的脉动直流等离子体射流是最佳条件，它的温度低于含水空气比例0%的稳压直流等离子体射流，但是·OH和O的产量都较后者高。
　　最后，通过采集脉动直流等离子体射流 O和·OH的时间分辨光谱以及 ICCD拍摄等离子体射流正面和侧面照片研究含水等离子体射流的传播机理。实验发现，电流波形有两个脉冲信号：第一个是大约维持1μs的陡脉冲；紧接着是维持40-45μs的缓脉冲。O的产量规律与电流变化规律一致；随着时间的增加，·OH的产量先增加后降低，第一个电流脉冲并没有使·OH产量达到最大。通过 ICCD照片发现空气等离子体射流是气体驱动的。外加电压和气流量对放电面积几乎没有影响，但是含水量的增加使得放电面积明显增加。特别是在含水空气比例为100%时，放电区域的放电面积和发光亮度都远大于0%的含水空气比例，但是在射流区域前者的亮度更低，射流长度也更短。工作气体中含水会稍微降低等离子体的传播速度。
　　综上所述，脉动直流含水空气等离子体射流具有温度低、ROS含量高等优点，这在生物医学领域中具有更广泛的应用前景。为了更好地了解和控制含水空气等离子体射流，对其传播机理进行研究。这为含水非惰性等离子体射流的研究奠定一定的理论基础，便于为等离子体应用提供理论支持。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文研究的主要内容

2 稳压直流含水空气等离子体射流特性及灭菌研究

2.1 针环等离子体射流发生装置

2.2 稳压直流含水等离子体射流电气特性

2.3 稳压直流含水等离子体射流外部特性

2.4 稳压直流含水等离子体射流光谱诊断

2.5 稳压直流含水等离子体射流的灭菌实验

2.6 本章小结

3 脉动直流含水空气等离子体射流特性研究

3.1 脉动直流含水等离子体射流电气特性

3.2 脉动直流含水等离子体射流外部特性

3.3 脉动直流含水等离子体射流的光谱诊断

3.4 本章小结

4 脉动直流含水空气等离子体射流时空演变规律研究

4.1 实验测试系统

4.2 发射光谱的时间动态行为研究

4.3 等离子体射流的时空动态行为研究

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目录