便携式大气压等离子体射流阵列

包希浩++姚晓彤++王珊++张浩

摘 要大气压等离子体射流能够在大气压条件下产生非平衡放电等离子体，在材料表面处理、生物医学工程、污水处理和环境保护等领域具备重要的科学研究意义和广阔的实际应用前景。然而，现有的大气压等离子体射流装置往往需要较为昂贵的外接电源、大多以惰性气体作为工作气体且一般采用单极放电结构，存在着造价较高、等离子体反应室结构复杂、等离子体处理面积较小等问题，难以满足大气压非平衡等离子体工程应用的实际需求。所以，改进现有的装置，使其便携且具有射流阵列，具有重要的意义。

【关键词】大气压等离子体射流 空气放电 便携 射流阵列

从1996年美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi M博士首次提出大气压等离子体射流可用于医学杀菌以来，对大气压等离子体射流装置的研究和改进受到了人们的格外的关注。与传统的低气压放电相比，大气压等离子体放电具有更加广阔的应用前景，由于它是在大气压下放电，所以去除了昂贵且极其繁琐的真空系统，这使得它的应用成本大大降低。同时传统低气压放电的放电间隙仅限于毫米到几厘米量级，会使得狭小空间内的带电粒子的活性和寿命受到巨大的影响，而且处理样品的尺寸也受到巨大的限制，这使得早期的等离子体射流无法得到广泛的应用，仅仅停留在实验室阶段。大气压等离子射流可以直接接触皮肤，有很强的安全性，在材料、医学、环境、化工等领域也都得到了应用。在国内，华中科技大学的卢新培教授制作了世界上唯一一种能放入牙齿根管内对根管进行杀菌的等离子体射流装置。在国际上，一些学者用其来处理慢性感染伤口和皮肤的螨虫。

最近几年，研究者们开始对等离子体射流进行大尺度的扩展，以多个小尺度的射流为基本单元，通过不同的排列方式，可以得到更大面积的等离子体射流，成为射流阵列。因为射流阵列具有更大放射面积，等离子体射流阵列可以适应不同面积和不同体积的处理对象，更加灵活而且使用。本文主要介绍了一种便携式大气压等离子体射流阵列，本装置电路结构简单，便于携带和使用，同时输出使用了阵列结构，更加具有实用性。

1 作品结构及设计

1.1 总体介绍

该便携式空气等离子体射流阵列的外观是手电筒形，内部电路全部放入了电筒外壳中，发射部分由3*3阵列组成，可以发射出均匀的等离子体射流。整体小巧、便携，改善了以往发生装置过于复杂，庞大的问题，更加有利于等离子体射流装置的普及和推广。本作品无需外接电源电路和放电气体供气系统，重量较轻（≤5kg），尺寸较小（≤20cm×8cm×5cm），能够在开放的空气环境中产生较为均匀的大面积（≥2.25cm2）大气压等离子体射流。本项目采取仿真模拟、实验研究和理论分析相结合的方式，通過研制电源与中间电路、测量放电等离子体电气特性和探讨电路参数对等离子体射流的影响，做出符合要求的大气压等离子体射流装置，电路参数将经过理论的计算和反复的调试更加精确。

1.2 电源模块

供电模块首先采用一个交流220V转交流17V的变压器，然后通过一个整流、滤波模块，该模块采用优质、高效的整流二极管和大容量、高耐压值的电容，最后为稳定输出又采用高效的三端稳压器 LT1083CP得到稳定的17V直流电压。为了便于调节输入电压，进而改变等离子体射流的强弱，在该模块后又添加了一个可调的DC—DC降压模块，该模块通过精密可调电阻实现1.25V—36V连续可调，并通过数码管实时显示输出电压的数值，保证了整体装置的稳定性。

1.3 升压模块

本模块是一个ZVS驱动电路，用来驱动高压包，功率大、发热低、可靠性高，电压约为输入电压的800倍左右。采用IRFP260N为功率管，电流大、内阻小、功率超强。然后输出又通过二次升压高压包，进一步升高电压，最后在得到高压的次级电压。

1.4 射流阵列模块

传统的等离子体射流装置产生的等离子体体积小，不适合大面积处理。对单极的射流进行一维、二维上的扩展形成阵列结构（图d），可产生大面积等离子体，具有更强的处理灵活性和实用性。本装置通过升压模块得到的次级电压，最后接一直径为2cm厚度为1mm的金属圆盘，在圆盘上有序放置9个长度为4cm的金属针，用来实现等离子体射流。为了使输出的等离子体射流更加弥散和均匀，在升压模块和放电电极之间又加了一个5MΩ的玻璃釉电阻，使整个电路更加稳定。

2 实验测试结果分析

本装置的升压模块采用ZVS驱动模块，ZVS驱动电路的最低驱动电压为12V，所以实验测试从14V开始测试，当电压比较小时，等离子体射流很弱，逐渐升高电压，在22V左右时本装置可以输出最强的等离子射流，此时的射流仍会有伴有很少的丝状放电。在固定输入电压为23V时，输出电阻选取5MΩ的玻璃釉电阻时，可以得到最强的等离子体射流，并且此时放电更加均匀，更加弥散。

3 总结与展望

本文首先说明了大气压等离子体射流的研究背景，总结了不同发射装置的优缺点，为了改善传统的发射装置的弊端，本文介绍了一种新型的等离子体发生装置，并给出了部分电路参数的实验室数据。本装置与传统大气压等离子体射流装置相比，具有电路结构简单，无需强气流把等离子体吹出，便携等优点，输出能够基本达到要求。但是在输入电压变化的情况下，输出的等离子体仍会伴有很少的丝状放电，而且因为是在空气中直接实现射流，所以射流的长度受限，因此有必要针对这些问题，展开进一步的研究，不断完善装置，以达到更好的效果。

参考文献

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作者单位

山东师范大学 山东省济南市 250300