阵列式等离子体射流特性的研究

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Ｋｅ ｏ ｄ ：ｒ ｙｐａｍａ ｅ；ｉ ｌ ｎｆｒ ｔ ； ｌ ｔ ｄ ｌ ｎ ａｉｇ ｙｗ ｒ ｓａ ａ ｌ ｓ ｔａ ｆ ｗ ｕ ｉ ห้องสมุดไป่ตู้ｉ ｅ ｃｒ ｅｅ ｍｅ ｔ ｐ ｃ ｊ ｒｏ ｏ ｙ ｅ ｏ ｅ ｓ ｎ
只有综 合考 虑这 些基 本 的和 阵列 式结 构 中 的特 有 因
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中图分 类号 ： ４ １ ２ ＴＭ８ ； ８ Ｏ ６ ．； ９ Ｒ１７ 文献标 志码 ： Ａ
Ｓｕ ｙｏ ｈ ｈ ｒ ｃｅｉ ｉｓｏ ｒａ ｌｓ ｅ ｔｄ ｎ ｔｅｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｆａｒ ｙｐａｍａｊｔ ｔ
ＬＩ Ｗ ｅ ｚ ｅ ｇ，ＨＡ ｎ ｙ ｎ，ＫＯＮＧ ｅ ，ＨＡＯ ｕ ｈ ｎ Ｕ ｎ ｈ ｎ Ｌｉｇ ｕ Ｆｉ Ｙ ｃｏ ｇ
现 了大气压 下阵列式等 离子体喷射 ， 证明了通过阵列式等 离子体喷射方式来实现大面积等 离子体 灭 菌技 术 的 可行 性 ． 除此之 外 还得 出了各种相 关因素 对阵 列式 等 离子体射 流特 性 的具体 影响 ， 以 用
完善 阵列 式等 离子体 射 流技 术 ， 进行 更 大 面积 的 灭 菌处理 ． 关 键词 ： 阵列 式等 离子体射 流 ； 气流 均 匀度 ； 电极 单元 间距
阵 列式 等 离子体 射 流 特 性 的研 究
刘文正 ， 贾凌云 ， 孔 飞 ， 宇羽 郝 中
（ 北京交通大学 电气工程学 院 ， 北京 １ ０ ４ ） ０ ０ ４
摘 要 ： 究 了大气压 下 阵列式 等 离子 体射 流特 性 ， 实现 和 完善 大 气压 下 大 面积 的低 温等 离子 体 研 以 灭 菌技 术 ． 用 ＭＡＸ Ｅ Ｌ３ 采 Ｗ Ｌ Ｄ软 件仿 真 及 实验 的 手段 ， 究相 关 因素 对 各种 阵 列 式等 离子 体射 研
（ ｃｏｌ ｆ ｌ ｔｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇＢ ｉ ｇＪ ｏｏ ｇＵｎｖｒｉ ， ｅｉ ０ ０ ４ Ｃ ｉ ） Ｓ ｈｏ ｏ ｅ ｒ ａ Ｅ ｇｎ ｉ ， ｅｉ ｉ ｔｎ ｉ ｓ ｙ Ｂ ｉ ｇ１ ０ ４ ， ｈｎ Ｅ ｃ ｃ ｃ ｎ ｊ ｎ ａ ｅ ｔ ｊ ｎ ａ
Ａ ｓ ａｔＴ ｉ ｐｐ ｒ ｎ ｅｔ ａｅ ｈ ｈ ｒｃ ｒ ｔ ｓ ｆ ｈ ｒ ｙｐａｍａｊ ，ｗｉ ｈ ｕｐ ｓ ｆｌ ｇ ｂｔ ｃ： ｈｓ ａｅ ｖ ｓ ｇ ｔｓ ｅｃ ａａｔ ｉ ｉ ｅａｒ ｌ ｒ ｉ ｉ ｔ ｅｓｃｏ ｔ ａ ｓ ｔ ｅ ｔ ｔｅｐ ｒｏｅｏ ｒｅ ｈ ａ
的阵列式低温等离子体射流从玻璃管的喷 口喷出． 放 电 电极采 用 了三种 形式 的阵列 式 电极 （ 线型 、 三角形和立体式 ）每个 电极单元采用 的是柱一 ． 环放
电电极 ． 图 ２ 示 的是 线 型 阵 列 式 电 极 的结 构示 如 所 意图． 内电极为 金 属柱状 导体 ， 部 的金属 套环 构成 外 了它 的外 电极 ． 由图 １可 以看 出 ， 内外 电极 问有 一个 玻璃管 作 为阻挡 介 质 ， 得 放 电 电流 所 带 来 的 电荷 使 在介 质表 面 的局部 积 累 ， 成一 个反 向电场 ， 而 可 形 从 以防止火 花放 电 引起 的 电流 集 ＠Ｅ ． 样 就 能 形 成 ２这 Ｊ
响 ． 于气 流对 低 温等离 子 体射 流特 性 的影 响 ， 至 主要 考 虑气 流 的流速 大 小 带 来 的影 响 ． 合 考 虑 这 些 基 综
图 ２ 线 型 阵 列式 电极 结 构 示 意 图
Ｆｉ ２ Ｓ ｈ ｍａｉ ｄａ ａ ｏ ｎ ａ ｒａ ｆｅｅｔｏ ｅ ｇ． ｃ ｅ ｔ ｉ ｍ ｆｌ ｅｒａｒ ｙｏ ｌｃｒｄ ｃ ｇ ｒ ｉ
大面积稳定低温等离子体 ．
分布决定 了大气压下低温等离子体是否能生成及生
成量 的 大小 ； 而工 作 气 流 不 仅 对 低 温 等离 子 的 生成
过程具有决定性的影响 ， 还决定 了生成的低 温等离 子体能否在大气 中Ｊ １ ｌ ］ ￣ 乃至大面积的传输 ． 在单管式的等离子射流产生过程 中， 当研究放 电电场 因素 对其 特 性 的影 响 时 ， 常 考 虑 单 组 电极 通 极间放电电压的大小和极 间电场均匀性等因素的影
本文采用了 自主研发的高频高压等离子体发生 电源 ． 可输 出电压范围为 ０ ００ ０Ｖ， ～１ ０ 频率范 围为 ２ ￣５ Ｈ 的正弦波电压信号． 图 ３ ０ ０ｋ ｚ 如 所示 ．
１ ０ ０ １ ０
本影响因素后 ， 可以在大气压下生成低温等离子体 射流． 但是单 管条件下 ， 生成 的等 离子体射 流量较 少． 采用阵列的方式可 以生成大面积的等离子体射
ｏ ｒａ ｌｓ ｔ ｆａｒ ｙｐａ ｍａｉ ．Ｂｅｉｅ ，ｔ ｅｅｒ ｓ ｌ ｌ ｈ ｗ ａ ｏ ｔ ｅｅｆｃｏ ｓｗｏ ｋ ｉ ｅｃ ｎ ｉｉｎｏ ｒ ｅ ｓｄ ｓ ｈ ｓ ｅｕ ｔ ａｓ ｓ ｏ ｔ ｔｈ ｗ ｈ ｓ ａ ｔｒ ｒ ｔ ｏ ｄｔ ｆ — ｓ ｏ ｈ ｎ ｈ ｏ ａ
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第 ３ 卷 ５
也在 不 断 的进 行 中 ． 常见 的有 同轴 电极 ， 一 电极 柱 环
向装 有 电极 的玻 璃 管 中送 入 一 定 流 速 的氦 气 ， 成 生
等， 技术也 比较成熟 ， 但这些 放 电电极 多是单管形
式 ， 能进 行单 一角 度 、 面 积 的喷射 灭菌 ． 只 小
ｒｙｐａｍａ ｅ， ｉ ｕｄｂ ｒｍｏｉ ｒ ｈ ｃ ｎ ｌ ｙｏ ｒｙｐ ｓ ｔ ｏ ｃ ｉ ｅｌ ｇ ｒ ｒａ ａ ｌ ｓ ｔ ｗｈｃ ｃ ｌ ｅ ｐｏ ｔ ｎｆ ｅｔ ｈ ｏ ｇ ｆ ｒａ ｌ ｍａ ｅ ｈｅ ｒｅ ｅ ｊ ｈｏ ａ ｏ ｏ ｔ ｅ ｏ ａ ａ ｊ ｔａ ｖ ａ ａ
１６ 年 Ｍｅａｈ 首次使用氩等离子 体杀灭玻璃瓶 ９８ ｎｃｉ
收稿 日期 ：０ ００ —０ ２ １—８３
基金项 目： 教育部 留学 回国人员科研启动基金项 目资助（ ０ Ｃ ０ １ ）北 京交通 大学校科技基金项 目资助 （ ０Ｊ ０ ０ Ｅ ７ ３０ ０ ； Ｅ ８０ ７ ） 作者简介 ： 刘文正（９ ４ ， ， １６ 一）男 陕西长安人 ， 副教授 ， ， 博士 主要研究方向为真空放电、 气体放电等离子体 ． ａ ： ｚｌ＠ｂ ｕｅｕｃ． ｅ ｉｗｈｕ ｊ ． ． ｍ ｌ ｉ ｔ ｄ ｎ
流特性的影响． 包括在单管等 离子体喷射 中的一些基本影响因素（ 电压、 气体流速等） 和阵列式等 离 子体喷射 实验 中所特有的一些因素（ 气流均 匀度、 电极单元 间距及 电极布置方式）实验在 大气压氦 ．
气环境 下进 行 ， 然后 通过 专 门研 发 的 高频 高压等 离子体放 电 电源进行 了介 质 阻挡放 电． 实验 结果 实
第３ ５卷 第 ２期
２ １ 年 ４月 ０１
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Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ２ １３ ．
ＡＤ ．２ １ ｒ ０１
０ＵＲＮＡＩ ０Ｆ ＢＥＩ Ｉ Ｊ Ｉ ＮＧ Ｉ ＯＴ０ＮＧ Ａ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
文 章 编 号 ：６ ３０ ９ （０ １０ —１ ５０ １ ７ —２ １ ２ １ ）２０ ０ —４
ｍｅ ｎ ｓｐ ｓｉｌ ｔ ｅ ｒ ｅａｅ ｎｌｗ ｅ ｅａｕ ｅｐａ ｍａａ ｔ ｓ ｈ ｒ ｒｓｕ ｅｂ ｈｓｍａ ｎ ｒ ａ ｓｉ ｉ ｓ ｅ ｏｇ ｔ ａｇ ｒａｏ ｔ ｏ ｂ ｌ ｏ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｌｓ ｔ ｍｏ ｐ ｅ ｉ ｐ ｅｓ ｒ ｙｔ ｉ ａ ｃ ｎ ｅ
流 ， 是 在生成 过 程 中除 了可 能 受 到单 管 方 式 中所 但 考虑 的一 些基 本 因 素 的影 响外 ， 需考 虑 一 些 阵列 还
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式结构中的特有因素 ． 比如不同电极单元 的气体流 速 的均匀 性 、 单元 间距 的大小 和均 匀性 、 同 的阵列 不 形式都会使放电电场和工作气流发生很 大的变化 ．
ｐｉ ｒｓｍｅｄｅ ｃｒ ａｒ ｒ ｉ ｈ ｒｅｅｐ ｒ ｎｓ Ａｓ ｓｌ， ｒａ ｌ ｍａ ｅ ｃ ｉ ｅ ， ｉ ｌｄｆ ｅ ｏ ｏ ｉ ｅｔ ｃ ｒ ｅ ｓ ａｇ ｘ ｅｉ ｔ． ｒ ｕｔ ａｒｙｐａ ｔｓ ｈｅ ｄ ｗｈｃ ｌ ｉｂ ｉ ｄ ｃ ｍｅ ａｅ ｓ ｊ ｉａ ｖ ｈ
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为 了满足大面积灭菌处理需要 ， 本文作者通过 研究最终实现了大气压阵列式低温等离子体喷射 ，
可 以进 行 多角度 、 大面 积 的灭菌 处理 ， 为进 一步 扩 也
大 灭菌 处 理面 积提 供 了理论 基础 ．
１ 实 验 原 理
对 于 大气 压 下 等 离子 体 射 流 来说 ， 电 电场 和 放 气流是 两个 根 本 性 的影 响 因素 ． 电 电场 的大 小 和 放
ｃ ｄ ｏ ｎｙｔｅｅｆ ｔｒ ｖ ｌ ｇ ，ｆ ｗ ａｅ ｔ）ｕｕ ｌ ｏ ｓ ｅｅ ｎ ｔｅｅ ｐ ｒ ｎ ｆｓ ｇｅ ｌ ｅ ｔ ｌ ｓ ａ ｏｓ（ｏｔ ｅ ｌ ｒｔ，ｅｃ ｓａ ｙｃ ｎｉ ｒｄ ｉ ｈ ｘ ｅｉ ｔｏ ｉ ｌ ｕ ｎ ｏ ｈ ｃ ａ ｏ ｌ ｄ ｍｅ ｎ
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目 前全球各类新型病 菌层 出不穷 ， 杀菌消毒 已 成为一个重要课题． 特别是在传染病控制 中， 杀菌消 毒已经成 为 了切断 传播 途径 的关键 手段 之 一［ ．
表面细菌以来 ， 等离子体的杀菌消毒技术正逐渐替 代常 规技 术 ， 泛 应 用 于各 个 行 业 ． 应 用 角 度 来 广 从 说， 关键在于是否能简便地产生大面积的稳定 的等 离子体． 因此 ， 对于各种不同形式的放电电极 的研究