張大偉，苗彩娟 ，馬 超

(沈陽理工大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

等離子體是由大量相互作用的但仍處于非束縛狀態(tài)下的帶電粒子組成的宏觀體系，是除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，由高能電子、離子、活性自由基和中性粒子組成，實際上是電離率足夠大的一種電離氣體。按照帶電粒子溫度高低將其分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類。低溫等離子體亦稱非平衡等離子體，放電過程中電子的溫度很高，但是離子的溫度較低，整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)［1］。

近年來，在液體中產(chǎn)生低溫等離子體的應用首先是在水質(zhì)凈化處理方面的研究。許多研究人員已經(jīng)發(fā)表了他們的試驗方法，并成功確定了液下放電消毒、殺菌的一般效應［2-4］。本文側(cè)重研究在生理鹽水中產(chǎn)生低溫等離子體的方法，即低溫等離子體消融技術(shù)。與傳統(tǒng)產(chǎn)生等離子體的方法相比，低溫等離子體消融技術(shù)的優(yōu)點表現(xiàn)為:常溫常壓下即可在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生低溫等離子體;在生理鹽水中產(chǎn)生的等離子體含有各種活性粒子(電子、離子，各種激發(fā)態(tài)的原子、分子以及自由基等)，這些高能粒子被證明具有很好的組織消融功能;由于水蒸氣具有異常高的熱容量，這種特殊的熱物理性質(zhì)，使得在等離子體產(chǎn)生過程中可以冷卻放電電極，致使溶液和消融組織的溫度均不會過高，保持在 40 ～70℃左右［5-8］。

低溫等離子消融技術(shù)因其巨大的優(yōu)越性已逐步發(fā)展起來并開始廣泛的應用于臨床醫(yī)療。因此，選擇合適的放電條件，提高放電效率，對于研究等離子體放電的實際應用價值就顯得尤其重要。本文通過搭建實驗測量裝置研究外加電壓幅值、電極距離、電極相對面積等對放電產(chǎn)生的影響，進一步研究放電電壓與耗散功率之間的相互關(guān)系，為在實際應用中優(yōu)化反應器設計，提高放電效率提供依據(jù)。

1 實驗研究

圖1 低溫等離子體的實驗裝置圖

實驗室建立的放電裝置見圖1所示，本實驗是在標準大氣壓和室溫的實驗室條件下進行的，電源為成都美創(chuàng)公司研制的頻率為100kHz的等離子發(fā)生裝置，其電壓輸出有效值最大為300V。采用的電極結(jié)構(gòu)為針—板型放電電極，垂直置于質(zhì)量分數(shù)為0.9%的生理鹽水溶液中，電極末端使用高壓探頭連接到DS-5000數(shù)字示波器用于測量放電過程中實時放電電壓。放電回路串有R2=1Ω的無感采樣電阻用于測量回路放電電流。

1.1 等離子實驗電源

實驗所用脈沖發(fā)生裝置為成都美創(chuàng)電子科技有限公司提供的型號為MC310的等離子電源，頻率為100kHz，電壓有效值范圍從100～300V可調(diào)，上升沿時間約為5ns。此MC310等離子電源產(chǎn)生的電壓波形為方波波形，方波波形與正弦波波形相比在產(chǎn)生等離子體方面具有以下顯著優(yōu)點:在相同的實驗條件下，方波放電的電離率遠高于正弦波放電;相同頻率下，方波波形的上升沿時間較短，更有利于等離子體的產(chǎn)生。

1.2 放電電極

實驗中陰陽電極材料分別選用直徑為2mm的鍍銀電極和3cm×5cm的不銹鋼板電極。

鍍銀電極具有很高的耐高溫和抗氧化特性。在放電等離子體產(chǎn)生后，陰極電極周圍產(chǎn)生蒸汽鞘層，導致放電阻抗值增大，電極溫度急劇升高，因此陰極電極必須能承受較高的溫度，同時，電極在蒸汽等離子體環(huán)境中極易被氧化，所以必須對放電電極進行氧化保護。而陽極放電電極在放電過程中起熱屏作用，不銹鋼的導熱性很差，不僅可以防止水蒸氣在其壁上的凝結(jié)，還可以防止水溶液中不必要的熱量散失。

2 實驗過程及結(jié)果分析

2.1 放電過程及電氣參數(shù)

在等離子體放電過程中，根據(jù)阻抗特性我們可以將其大致分為三個階段。

第1階段:預電離階段，此時溶液中主要進行簡單歐姆導電;

第2階段:蒸汽層形成階段，即當電壓達到約175V時，蒸汽層的形成使得溶液阻抗值迅速增大;

第3階段:等離子體形成階段，同時伴隨有光學和聲脈沖以及氣泡過程。

實驗主要針對放電總體過程，對放電過程的電壓電流特性曲線以及耗散功率三個方面進行研究。

1)放電過程

圖2為電極間距為4mm時，針-板型電極在放電過程中阻抗特性隨外加電壓值的關(guān)系曲線。

圖2 阻抗與外加電壓關(guān)系曲線

電極間距為4mm時，當施加電壓較低時，通常在電壓有效值低于100V時，溶液中沒有等離子體產(chǎn)生，鹽水溶液的電壓電流特性符合簡單的歐姆定律，此時主要靠溶液中的正負離子導電，如Na+離子以及Cl-離子在電場作用下做定向移動，阻抗特性基本保持不變。隨著電壓升高，活性電極被激發(fā)，此時可明顯的觀察到電極周圍產(chǎn)生很多小氣泡，當電壓足夠高時，在電極周圍場強較大區(qū)域會產(chǎn)生厚度約為50～100μm的蒸汽層，同時伴隨有“滋滋”的聲音以及橘黃色的等離子體發(fā)射光，證明低溫等離子體產(chǎn)生。蒸汽層的產(chǎn)生促使極間阻抗迅速增長，同時由于鹽水溶液比較大的導電率，此時放電產(chǎn)生的功率基本上耗散在電極周圍形成的蒸汽層中。

2)放電過程電壓電流特性曲線

實驗中研究了放電過程中電壓電流特性曲線。圖3為電極間距為4mm、施加電壓脈沖Vrms=200V時，0.9%的生理鹽水中，示波器顯示放電電壓電流隨時間關(guān)系的波形曲線。

圖3 電壓電流動態(tài)曲線

從圖3可以得出，由于鹽水溶液導電率較大，

式中:U1、U2為示波器測得電壓值;T為電壓周期;R2為采樣電阻。

圖4為在電極間距4mm，外加電壓200V時，0.9%生理鹽水中的耗散功率曲線圖。從圖4可以看出，等離子體不在整個周期一直產(chǎn)生，而是在每個周期電壓值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時間歇的重復生成，且等離子體耗散功率最大點出現(xiàn)在電壓達到負偏置時，這說明負半周期時等離子體的發(fā)射需要更高的能量，而這個能量表現(xiàn)為負半周期的耗散功率明顯的大于正半周期的最大功率。放電開始時并無電流泄漏過程，而是電流隨電壓的升高而升高，隨后由于蒸汽層形成，致使電極間阻抗平均值增大，極間電流密度迅速減小，蒸汽層被擊穿后，電流迅速回升，但由于水蒸汽與生理鹽水導電性相差較大，所以電流較之前下降。待放電在蒸汽層形成穩(wěn)定擊穿時，電壓電流波形趨于穩(wěn)定。

3)放電過程的耗散功率

耗散功率是描述放電強弱的物理量。本文采用電壓-電流圖形法獲得耗散功率。該方法通過示波器輸出圖形，利用Matlab數(shù)學處理軟件對輸出數(shù)據(jù)(輸出電壓頻率、電壓峰值等)進行處理。耗散功率P的計算公式為

圖4 耗散功率曲線圖

2.2 外加電壓幅值產(chǎn)生的影響

保持電極間距為4mm，在生理鹽水(質(zhì)量分數(shù)為0.9%)中施加不同電壓于放電電極，得到耗散功率曲線如圖5所示。從圖5可以看出，電壓幅值與耗散功率呈非線性關(guān)系。電壓有效值低于175V時，隨著電壓的升高，耗散功率明顯增加，因為此時溶液中進行的是簡單的歐姆導電，主要為生理鹽水中電解質(zhì)離子進行導電;鹽水溶液的導電率與溫度有很大關(guān)系，從5℃時的1S/m到65℃時的3S/m，因此隨著歐姆加熱的進行，耗散功率隨放電電壓基本呈線型關(guān)系上升。繼續(xù)增高電壓，當施加在電極上的電壓有效值超過175V時，實驗測得的耗散功率驟減，觀察到電極的尖端有氣泡產(chǎn)生，同時伴隨有明亮的橘黃色等離子體發(fā)射光。耗散功率下降原因歸結(jié)為:(1)形成的蒸汽層中離子密度N與液態(tài)時相比大幅降低，使得電極附近阻抗增大;(2)由于蒸汽層中低導電性與鹽水溶液高導電率使得蒸汽層的場強E大大增強。因此促成了較大的E/N比值。當電極尖端局部電場場強足夠大時，會在瞬間產(chǎn)生非平衡低溫等離子體。

圖5 耗散功率隨施加電壓的關(guān)系曲線

2.3 電極間距對放電產(chǎn)生的影響

在質(zhì)量分數(shù)為0.9%的生理鹽水溶液中，在針-板型電極間距分別為4mm、8mm、20mm、30mm下測量等離子體放電產(chǎn)生過程中的電壓電流波形。溶液中放電有很大的隨機性，但經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)放電形成的電壓電流波形具有一定的規(guī)律。

1)穩(wěn)定放電后，電極間距對電流波形影響不大，電流峰值在允許范圍內(nèi)波動。電極間距為4mm、8mm、20mm、30mm四種情況下的電流峰值僅相差幾個毫安。

2)放電具有一定的延時性，從施加電壓到形成穩(wěn)定放電需要一定的時間。這可能是由于溶液溫度等初始放電條件和電極尖端自由電子形成的隨機性相關(guān)。

綜合以上分析可認為低溫等離子體在生理鹽水條件下產(chǎn)生時，電極間距對放電產(chǎn)生的影響很小，這種現(xiàn)象與所了解的空氣中放電產(chǎn)生等離子體過程有很大不同，歸其原因主要是鹽水溶液屬于強電解質(zhì)溶液，導電率為0.6S/m(5.4×109s-1)，在電解質(zhì)離子導電過程中，相對于蒸汽層高阻抗來說鹽水溶液的阻抗值可以忽略不計。因此在較大的電場作用下，由于電解質(zhì)離子較大的遷移率，使得電極間距的改變對放電的影響較小。

2.4 電極相對面積對放電產(chǎn)生的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，與輝光放電等直流放電不同的是，生理鹽水中產(chǎn)生低溫等離子體時，電極的相對面積對放電的作用影響很大。用面積相同的雙針極電極進行實驗時，發(fā)現(xiàn)等離子體在兩極任意的、無規(guī)律的產(chǎn)生。改變兩極相對面積之比，當兩極相對面積之比小于1∶5時，等離子體易在面積較小的電極產(chǎn)生，同時改變兩極的接入順序，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象相同。當增大相對面積之比為1∶20時，發(fā)現(xiàn)放電產(chǎn)生的更猛烈。這說明，放電相對電極面積越小時，通過放電電極的電流密度越大，放電電極周圍形成的場強就越強，相同條件下?lián)舸┱羝麑有纬傻入x子體也就越容易。表1為電壓有效值為200V放電產(chǎn)生電極與兩極電極表面積之比。

表1 電極相對面積與放電產(chǎn)生電極關(guān)系

3 結(jié)論

生理鹽水中產(chǎn)生低溫等離子體過程具有以下特性:

(1)電極間距一定時，外加電壓幅值與耗散功率呈非線性關(guān)系。在電壓有效值為175V時，耗散功率達到最大，電壓繼續(xù)增高時，耗散功率基本不變;

(2)外加電壓幅值一定時，電極間距對放電產(chǎn)生的影響不大;

(3)電極間距與外加電壓幅值一定，電極相對面積為1∶1時，兩極都產(chǎn)生放電，且電極相對面積之比越大，面積較小放電越容易產(chǎn)生;

(4)結(jié)合實際，為產(chǎn)生更為強烈的低溫等離子體放電，實驗時施加電壓有效值應大于175V，電極相對面積應盡量大些，電極間距可以按需選取。

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