影响大气压放电等离子体放电特性因素及灭菌实验研究

摘要

大气压放电等离子体射流(Atmospheric pressure plasma jet, APPJ)是近年来兴起的一种新型气体放电技术，在国际上引起了重大关注，成为气体放电领域的重要研究课题。相比于传统的介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)来说，大气压等离子体射流通过强气流将等离子体“吹”出放电腔，直接喷射到大气环境中，使得等离子体与高压电极分离，对操作者的安全性有极大提高，其活性物质数量大、种类多、浓度高，且放电气体温度可低至室温，在材料表面改性、等离子体化学、生物医学等领域凸显出巨大的应用前景。目前，国内外针对等离子体射流产生的机理及发展过程、放电特性、射流应用已经有大量的研究。但针对电极参数和结构优化的研究鲜有报道，对于放电特性的研究还不够深入，同时，关于射流源的仿真研究报道较少。
　　针对上述问题，本课题主要以DBD型的射流结构为研究对象，并通过实验研究的方法，较全面分析了其射流特性的影响因素；同时，设计并制作了基于微孔阴极放电(Micro-hollow cathode discharge, MHCD)原理的空气等离子体放电装置，对其单微孔和多微孔放电特性进行对比研究。为此，本课题的主要研究内容可做如下归纳：
　　首先，论文对等离子体的基本概念、应用前景和研究意义进行了简要介绍，对现有DBD型式APPJ和MHCD型式APPJ的研究现状进行深入分析。
　　第二，介绍了气体放电的基本理论，阐释了射流放电过程中的几种典型放电形式。针对 DBD型中的两大类型射流结构，即外环电极结构(外单环和外双环结构)和针-环电极结构，利用Comsol/Multiphysics软件分别建立了外单环电极、外双环电极以及针-环电极的二维模型，并对它们进行电场/流场耦合的仿真分析，为后续的实验研究提供理论依据。
　　第三，搭建了大气压下氦气等离子体射流的放电实验系统，通过实验的方法较全面研究外环电极结构(外单环电极结构、外双环电极结构)下的射流长度影响因素：电极位置、电极参数、外部气流以及外施电压等，并结合电场、流场的基础理论对相关实验现象进行分析。通过实验过程的观察，分析外双环电极结构APPJ的“多脉冲”放电形式，对其纯氦气射流、氦气/空气混合射流的功率影响因素进行研究。并开展将氦气/空气混合射流用于大肠杆菌的灭菌实验，验证了其应用的正确性与可行性。
　　第四，设计并制作针对针-环电极结构的实验装置，观察其正负不对称的“多脉冲”放电形式，分析电极参数的变化对于放电脉冲个数之间的关系，探讨对射流长度的影响因素，比较纯氦气以及氦气/空气混合情况下的射流功率影响因素。在此基础上，进行了大肠杆菌的灭菌实验研究。
　　最后，设计并制作了基于MHCD的空气等离子体放电装置，实现了其在大气环境下的稳定空气放电，并对相关的电气特性进行了研究，取得了部分实验结果，为实现均匀空气等离子体射流奠定了基础。

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目录

1 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2等离子体射流的重要性

1.3国内外研究现状

1.4本文研究的主要内容

2 气体放电理论及仿真分析

2.1 气体放电基本理论

2.2气体放电的特性分析

2.3等离子体射流的机理分析

2.4等离子体射流源的仿真分析

2.5 本章小结

3 外环结构下的大气压放电等离子体射流特性及灭菌实验

3.1 实验装置介绍

3.2 主要实验内容

3.3 主要结果及讨论

3.4 本章小结

4 针-环结构下的大气压放电等离子体射流特性及灭菌实验

4.1 实验装置介绍

4.2 实验内容

4.3 主要结果及讨论

4.4 本章小结

5 空气条件下的微孔阴极放电特性研究

5.1微孔阴极放电装置的设计

5.2空气条件下的稳定放电研究

5.3 相关电气特性测试

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 后续研究工作与展望

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申请的专利

C.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目录：