关于脉冲激励等离子体射流放电重复性影响因素的探究

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近年来大气压低温等离子体射流的应用领域越来越广泛,尤其在生物医学领域获得了广泛研究,根据临床应用的需要,精确控制等离子体剂量是低温等离子体射流发展的重要课题。等离子体放电的可重复性是精准控制活性成分剂量的关键,所以研究射流可重复性具有非常重要的意义。脉冲直流激励的等离子体射流与传统的交流或直流驱动相比,有如下特点:首先一个脉冲周期中,电子可以在脉冲上升沿及下降沿获得更高的能量,更易电离气体;其次多次脉冲预电离过程中,可以通过背景电离积累种子电子,因此脉冲激励所需要的击穿电压小于高压直流激励;再次,在高重频脉冲电源驱动下,存在临界频率,高于该临界频率时,放电处于可重复状态,低于临界频率时,放电处于混沌状态。等离子体射流重复性的研究指在高重频脉冲激励条件下,各周期内放电是否具有可重复特性。  本文首先探究了电压幅值、脉宽、脉冲上升时间对等离子体放电重复性的影响;其次精确控制气体组分,研究了不同氮气掺量、不同氧气掺量对等离子体射流放电重复性的影响;最后利用真空放电系统,研究了低气压条件下氮气、空气等离子体的临界频率,计算维持可重复放电条件最低种子电荷密度。得到了以下4点结论:  (1)脉冲激励等离子体射流在特定频率、脉宽条件下,存在维持放电的最小电压值,即维持电压。维持电压与放电过程中产生关键作用的带电粒子、活性粒子的生命周期有关,维持电压对射流重复性具有重要影响。  (2)临界频率受到电压幅值、脉宽以及脉冲上升时间的影响。电压幅值越小,临界频率越大;脉宽对临界频率的影响较复杂:在电压为8kV、6kV时,脉宽越大临界频率越小,而当电压为4kV、3kV时,脉宽越小临界频率越大。工作气体为He条件下,当电压幅值较高时,改变脉冲上升时间,临界频率基本不变;当电压降低为5kV时,脉冲上升时间变大,临界频率迅速增大5倍左右;Ar作为工作气体时,增加上升时间后放电重复性较差,临界频率大于9.5kHz,放电呈现为不稳定放电模式,无法更为精确地界定临界频率的范围。  (3)氦氮混合气体放电时,临界频率大于相同条件下He等离子体射流放电的临界频率,且随电压幅值的增大而减小;改变脉宽时,变化趁势基本一致。氦氮混合气体放电时,临界频率大于He等离子体射流,且临界频率随电压幅值的增大而减小;改变脉宽时,变化趁势基本一致。氦氧混合气体放电时,相同条件下,氦氧混合气体放电延时小于氦气放电延时;另外,随着氧掺量的增大,临界频率增大。  (4)低气压条件下氮气、氧气、空气放电同样存在由随机到可重复放电模式的转化现象,即存在临界频率,当脉冲频率大于临界频率时放电处于可重复状态,小于临界频率时放电处于随机状态。在低气压条件下,电压幅值对临界频率有影响,脉冲宽度对放电重复性没有影响。这一研究结果为背景电离在放电过程中的作用提供了新的支持。通过零维电荷衰减模型计算得到,电压5kV、1kPa条件下重复性要求的最低种子电子密度约为107cm-3数量级;电压5kV、3kPa条件下重复性要求的最低种子电子密度在108cm-3~109cm-3之间。
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