大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果

第22卷第12期2010年12月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICI。EBEAMSV01．22，No．12Dec．，2010文章编号：1001—4322(2010)12-2984—05大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果。刘文正，严伟，郝宇狮(北京交通大学电气工程学院，北京100044)摘要：介绍了一种同轴电极的射流等离子体发生装置，可以直接在大气中将生成的氦气辉光放电射流等离子体喷出进行杀菌消毒。无需反应容器和真空系统，并从电压、频率、流速等方面讨论了该同轴等离子体发生器的放电特性。在稳定的放电条件下，利用实验装置进行了大气压下的等离子体灭菌实验，验证了本装置在等离子体灭菌应用上的可行性和易操作性。灭菌结果表明：在最初的2min内，细菌减小趋势明显，3rain后细菌几乎全部消亡。关键词：大气压辉光放电；同轴介质阻挡放电；射流等离子体；等离子体灭菌中图分类号：0461．2；TM89文献标志码：Adoi：10．3788／HPI。PB20102212．2984长期以来人们一直努力实现大气压下稳定的辉光放电(APGD)。由于大气压下空气的击穿场强比较高，容易引起丝状放电，所以通常采用介质阻挡电极(DBD)和使用稀有气体的方法来实现APGDLl。引。大气压下等离子体的产生不需要昂贵的真空设备，工业应用前景广阔。近年来，国内外研究者都非常关注在大气压下产生等离子体的特性及应用[3。4]。等离子体具有灭菌的功效，作为一种安全、环保的灭菌手段，低温等离子体灭菌正逐渐吸引人们的注意。目前国内外在大气压辉光放电等离子体消毒灭菌方面的研究方式，主要是采用平行板电极介质阻挡的放电形式，将处理物品放入一个反应容器中，进行抽真空再充人工作气体(如氦气)[5]。加工过程需要反复取放处理物品，不利于进行高效大规模工业应用。本文采用的同轴电极等离子体射流装置，是在开放式大气压空气环境中给同轴分布的介质阻挡电极上施加高频电压，将同轴电极间气隙中流过的工作气体(氦气)电离成氦气辉光放电等离子体喷射到大气中，这样，就省去了真空排气系统，缩小了装置的体积，大大提高了工作效率。l实验装置1．1放电系统整个放电系统的构成如图1所示，包括高频电源、放电腔体和送气系统三部分。高频高压电源串联限流电阻R后，加在同轴电极上。向两电极之间的气隙中通入持续的氦气气流，放电在腔体内产生，并形成喷射等离子体。工作气体的气流大小可通过流量计控制。通过泰克公司TEX2014B四通道示波器观V察两电极间的实际电压和放电电流的波形。1．2高频高压电源本实验所用为高频高压电源。电路由220V工频电压输入，经过整流、半桥逆变，输出高频脉冲电压，经过变压器升压后可得到电压幅值范围在O～15000V、频率范围在30～50kHz的高频高电压。1．3电极结构Fig．1Structureofdischargesystem图1放电系统的结构图采用图2所示的同轴电极的结构。其中内部的柱状金属物和外部的管状金属物分别为两个放电电极。内电极外套有聚四氟乙烯套管，外电极与介质套管间留有2ITlm间隙。放电时，气流由上方进入反应腔体，经过电极时被电离，生成等离子体至下方喷出，形成喷焰的效果。使用本装置生成的喷焰等离子体效果如图3所示。*收稿日期：2009—08—27；修订日期：2010—06—22基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金项目(E07C300lO)；北京交通大学校科技基金项目(E08J0070)作者简介：刘文正(1964一)，男，博士，副教授，主要从事真空放电和气体放电等离子体等面的研究1wzhliu(鱼bjtu．edu．cn。第12期刘文正等：大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果2985Fig．2Crosssectionofcoaxialelectrodesstructure图2同轴电极剖画结构图Fig．3Dischargeeffectofplasmajerringdevice图3等离子体射流装置放电效果图2放电特性在高气压DBD中，由于电子崩发展过快，很容易由辉光放电过渡到丝状放电。丝状放电是一种时空分布不均匀、瞬时峰值电流较大的放电形式，其生成等离子体的能量密度大，易损伤被处理材料表面∽。]。所以在实验中要避免发生丝状放电。辉光放电向丝状放电的转变受放电电压、电源频率等因素的影响，放电形式可通过电流波形进行判断。2．1电压与放电电流的关系在气体流速为3m／s、频率为30kHz的情况下，不同电极电压下的放电电流波形如图4所示。图4(a)～(c)分别是峰值电压为1．5，1．8，2．8kV时的电流波形。J为放电回路中限流电阻R(50012)两端的电流，由R两端的电压峰值可算出其对应的电流峰值分别为24。28，56mA。V为电极电压。Fig．4Dischargecurrentandappliedvoltagewaveformsatdifferentpeakvoltage图4不同峰值电压时的电压电流波形首先，随着电压的升高，电流的峰值也相应的升高。此外，在电压为1．5kV和1．8kV的情况下，电流在每半个周期只出现一次峰值电压。而当电压升高至2．8kV时，其电流波形呈现出多峰值的丝状放电的特性。这是由于在每半个周期内。当外加电压增大时，两电极间隙中的电场变大，阴极附近的种子电子在电场的作用下加速很快。电子在电场中获得的能量增加，与中性粒子发生碰撞更加剧烈，不断发生电离，使反应气体的电离程度增加，等离子体密度变大，放电电流随之增大。如果由此形成电子崩发展过快，推进到阳极，以至于在每半个电压周期内能够形成丝状电离通道，那么就会由辉光放电转变为丝状放电。其次，可以看出，随着电压的增加，电流峰值出现的时刻前移。这是因为，当电源的频率和气流都不发生改变时，如果外加电压高，电压上升陡度大，使电场达到击穿场强所需的时间短，击穿的时刻发生前移。2．2电源频率与放电电流的关系图5为在电压为2kV、气体流速为3m／s的情况下，改变电源频率时，测得的放电电压电流波形。可见，电源频率增大时，电流峰值相应增大。图5(a)表示的是频率为20kHz时的电压电流波形。此时，电流的峰值经计算为12mA。同时观察到放电产生的发光比较微弱，只有少量等离子体喷出，射程为5mm。图5(b)表示的是频率为30kHz时的电压电流波形。可见随着电压频率的提高，电流的峰值增至32mA。同时观察到发光变强，喷出等离子体增加，射程为6mm。图5(c)表示的是频率为40kHz时的电压电流波形。此时电流波rHCe嘣M裟阳阳端衙眦∞m2986强激光与粒子柬第22卷形趋近于正弦，且峰值为36mA。在实验中可明显观察到放电现象更加剧烈，发光进一步增强，等离子体喷射距离变大。射程为8mm。Fig．5Dischargecurrentandappliedvoltagewaveformsatdifferentfrequency图5不同频率下的电压电流波形在高频电场中，电子通过费米加速获得的统计的平均功率密度1P。一÷m。wgn。面。(1)厶式中：m。和n。分别表示电子的质量和密度；面。为电子的平均热运动速度；W。为鞘层边界移动速度的最大值L8]。在电压峰值一定的情况下，鞘层边界的移动速度"tYd。和电源频率∞成正比。由式(1)可知，统计加热的功率与叫2成正比。所以在电压幅值一定的条件下。放电频率越高，等离子体密度越大。这就使得放电电流变大，发光变强，喷射距离变大。因此，通过改变电源的频率，可以调节放电电流的大小和等离子体的喷射距离。2．3流速与放电电流的关系图6为在电压为2kV，频率为30kHz的情况下，气体流速分别为0．4，2．0，4．0m／s时测得的放电电压电流波形。电流峰值分别为20，28，40mA。Fig．6Dischargecurrentandappliedvoltagewaveformsatdifferentgas—flowrate图6不同流速时放电的电压电流波形流速为0．4m／s时(图6(a))，电流波形每半个周期内有多个峰值，放电形式为丝状放电。当气体流速增为2．0m／s和4．0m／s时(图6(b)、图6(c))，丝状放电被抑制。流速对放电形式的影响体现在以下几个方面：首先，流速的增加会使电极间的气压降低。在低气压下，辉光放电较之在高气压下更容易实现f8]。其次，丝状放电是由于电极间的电子在电场的作用下不断电离倍增，形成电子崩，最终贯穿两电极，形成丝状放电通道。当工作气体的流速达到一定值，带电粒子不断被带出放电区域，有效地抑制了电子崩的发展，最终阻止其贯穿电极，避免了辉光放电向丝状放电的转化；再次，电极过热是导致辉光放电向丝状放电转换的因素之一[9]。在放电过程中，电子和离子与电极不断碰撞，使电极上的能量积累，电极表面温度不断升高。工作气体气流促进了电极与外部的热交换，使电极表面维持在较低的温度。因此，气流对辉光放电向丝状放电的过渡起到了一定的抑制作用。3射流等离子体的灭菌实验及其效果关于低温等离子体的杀菌消毒机理，迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。多是各种实验推理出第12期刘文正等：大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果的假说，有的从光作用角度阐述，比如光化作用、光蚀除作用、光之破裂作用等H0。11]。归纳起来共有3种：等离子体形成过程的紫外线直接破坏微生物的基因物质；紫外光子固有的光解作用打破微生物化学键；等离子体的蚀刻作用，即等离子酸体内的活性物质与微生物内的蛋白质核酸反应，摧毁微生物。根据前文中的各组对比实验，在放电电压为2kV、频率为30kHz、气体流速为3m／s时，等离子体喷焰比较稳定。灭菌实验采用在上述条件下生成的等离子体，对实验样本分别进行处理。选用大肠杆菌DH5a作为实验菌株，并使其复苏。稀释后，每15弘L加至无菌平皿中，用细胞刮片涂成单层菌液。将载菌培养皿置于喷焰端部正下方不同位置，灭菌开始后计时。灭菌完毕后，用100"L无抗性I。B将细菌洗下后滴加入Amp抗性I。B平板，用玻璃涂布器涂布均匀，然后37℃倒置培养12～16h至单菌落形成，然后将处理样本放到显微镜下进行观察。图7(a)为没有进行灭菌处理的对照样本，(b)为处理3min后的样本图片，可以看出99．9％以上的细菌已经消亡。由数据还得到灭菌时间一细菌成活率瞳线(见图8)。可以看出，在最初的2min内，细菌减小趋势明显，6min后细菌被全部杀灭。说明喷焰等离子体具有很好的灭菌效果。Fig．7Sterilizationeffect图7灭菌效果对比结果Fig．8Bacterialsurvivalrate口ssterilizationtime图8灭菌时间一细菌成活率曲线4结论本文采用了同轴电极的射流等离子体发生装置，可以在大气中生成并喷射出氦气射流辉光放电等离子体。由于无需密闭反应容器和真空系统，提高了工作效率，符合工业大规模生产要求。通过改变极间电压、电源频率、气体流速等因素，得到了不同条件下的放电现象和放电参数。经研究发现：增大极间电压会导致放电电流的增加，每半个周期内放电电流峰值出现的时刻相应前移，但电压过大会引起丝状放电；增大电源频率会使放电电流峰值和等离子体的喷射距离增大；通过加快工作气体的流速能够抑制丝状放电的产生。经过对比不同条件下的放电现象，找出了稳定的放电状态，利用该状态下生成的射流等离子体对大肠杆菌进行处理，灭菌结果表明：在最初的2min内，细菌减小趋势明显，3min后细菌几乎全部消亡。参考文献：[1]RothJ，ReeceR，JosefDXteta1．Thephysicsandphenomenologyofoneatmosphereuniformglowdischargeplasma(0AuGDP)reactorsforsurfacetreatmentapplications[J]．JPhysD：ApplPhys，2005，38(4)：555—567．[2]YokayamaTKogomaM，MoriwakiT，eta1．Themechanismofthestabilizationofglowplasmaatatmosp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