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題,難以滿足大氣壓非平衡等離子體工程應(yīng)用的實際需求。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,對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。同時傳統(tǒng)低氣壓放電的放電間隙僅限于毫米到幾厘米量級,會使得狹小空間內(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法得到廣泛的應(yīng)用,僅僅停留在實驗室階段。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)對根管進(jìn)行殺菌的等離子體射流裝置。在國際上,一些學(xué)者用其來處理慢性感染傷口和皮膚的螨蟲。
最近幾年,研究者們開始對等離子體射流進(jìn)行大尺度的擴(kuò)展,以多個小尺度的射流為基本單元,通過不同的排列方式,可以得到更大面積的等離子體射流,成為射流陣列。因為射流陣列具有更大放射面積,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)簡單,便于攜帶和使用,同時輸出使用了陣列結(jié)構(gòu),更加具有實用性。
1 作品結(jié)構(gòu)及設(shè)計
1.1 總體介紹
該便攜式空氣等離子體射流陣列的外觀是手電筒形,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)生裝置過于復(fù)雜,龐大的問題,更加有利于等離子體射流裝置的普及和推廣。本作品無需外接電源電路和放電氣體供氣系統(tǒng),重量較輕(≤5kg),尺寸較小(≤20cm×8cm×5cm),能夠在開放的空氣環(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。本項目采取仿真模擬、實驗研究和理論分析相結(jié)合的方式,通過研制電源與中間電路、測量放電等離子體電氣特性和探討電路參數(shù)對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)過理論的計算和反復(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交流220V轉(zhuǎn)交流17V的變壓器,然后通過一個整流、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可調(diào)的DC—DC降壓模塊,該模塊通過精密可調(diào)電阻實現(xiàn)1.25V—36V連續(xù)可調(diào),并通過數(shù)碼管實時顯示輸出電壓的數(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ZVS驅(qū)動電路,用來驅(qū)動高壓包,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)的處理靈活性和實用性。本裝置通過升壓模塊得到的次級電壓,最后接一直徑為2cm厚度為1mm的金屬圓盤,在圓盤上有序放置9個長度為4cm的金屬針,用來實現(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5MΩ的玻璃釉電阻,使整個電路更加穩(wěn)定。
2 實驗測試結(jié)果分析
本裝置的升壓模塊采用ZVS驅(qū)動模塊,ZVS驅(qū)動電路的最低驅(qū)動電壓為12V,所以實驗測試從14V開始測試,當(dāng)電壓比較小時,等離子體射流很弱,逐漸升高電壓,在22V左右時本裝置可以輸出最強(qiáng)的等離子射流,此時的射流仍會有伴有很少的絲狀放電。在固定輸入電壓為23V時,輸出電阻選取5MΩ的玻璃釉電阻時,可以得到最強(qiáng)的等離子體射流,并且此時放電更加均勻,更加彌散。
3 總結(jié)與展望
本文首先說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,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)的實驗室數(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)簡單,無需強(qiáng)氣流把等離子體吹出,便攜等優(yōu)點,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伴有很少的絲狀放電,而且因為是在空氣中直接實現(xiàn)射流,所以射流的長度受限,因此有必要針對這些問題,展開進(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,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,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,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