低溫等離子體在生理鹽水中放電的實(shí)驗(yàn)研究

張大偉，苗彩娟 ，馬 超

(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)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(shí)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(guò)程中電子的溫度很高，但是離子的溫度較低，整個(gè)體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)［1］。

近年來(lái)，在液體中產(chǎn)生低溫等離子體的應(yīng)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(yàn)方法，并成功確定了液下放電消毒、殺菌的一般效應(yīng)［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(diǎn)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(guò)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(huì)過(guò)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(lái)并開始廣泛的應(yīng)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(duì)于研究等離子體放電的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值就顯得尤其重要。本文通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置研究外加電壓幅值、電極距離、電極相對(duì)面積等對(duì)放電產(chǎn)生的影響，進(jìn)一步研究放電電壓與耗散功率之間的相互關(guān)系，為在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，提高放電效率提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

圖1 低溫等離子體的實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)室建立的放電裝置見圖1所示，本實(shí)驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)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?jǐn)?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(cè)量放電過(guò)程中實(shí)時(shí)放電電壓。放電回路串有R2=1Ω的無(wú)感采樣電阻用于測(cè)量回路放電電流。

1.1 等離子實(shí)驗(yàn)電源

實(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)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(diǎn):在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，方波放電的電離率遠(yuǎn)高于正弦波放電;相同頻率下，方波波形的上升沿時(shí)間較短，更有利于等離子體的產(chǎn)生。

1.2 放電電極

實(shí)驗(yàn)中陰陽(yáng)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(dǎo)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(shí)，電極在蒸汽等離子體環(huán)境中極易被氧化，所以必須對(duì)放電電極進(jìn)行氧化保護(hù)。而陽(yáng)極放電電極在放電過(guò)程中起熱屏作用，不銹鋼的導(dǎo)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(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 放電過(guò)程及電氣參數(shù)

在等離子體放電過(guò)程中，根據(jù)阻抗特性我們可以將其大致分為三個(gè)階段。

第1階段:預(yù)電離階段，此時(shí)溶液中主要進(jìn)行簡(jiǎn)單歐姆導(dǎo)電;

第2階段:蒸汽層形成階段，即當(dāng)電壓達(dá)到約175V時(shí)，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(shí)伴隨有光學(xué)和聲脈沖以及氣泡過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)放電總體過(guò)程，對(duì)放電過(guò)程的電壓電流特性曲線以及耗散功率三個(gè)方面進(jìn)行研究。

1)放電過(guò)程

圖2為電極間距為4mm時(shí)，針-板型電極在放電過(guò)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(shí)，當(dāng)施加電壓較低時(shí)，通常在電壓有效值低于100V時(shí)，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(jiǎn)單的歐姆定律，此時(shí)主要靠溶液中的正負(fù)離子導(dǎo)電，如Na+離子以及Cl-離子在電場(chǎng)作用下做定向移動(dòng)，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(shí)可明顯的觀察到電極周圍產(chǎn)生很多小氣泡，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，在電極周圍場(chǎng)強(qiáng)較大區(qū)域會(huì)產(chǎn)生厚度約為50～100μm的蒸汽層，同時(shí)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(zhǎng)，同時(shí)由于鹽水溶液比較大的導(dǎo)電率，此時(shí)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(guò)程電壓電流特性曲線

實(shí)驗(yàn)中研究了放電過(guò)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(shí)，0.9%的生理鹽水中，示波器顯示放電電壓電流隨時(shí)間關(guān)系的波形曲線。

圖3 電壓電流動(dòng)態(tài)曲線

從圖3可以得出，由于鹽水溶液導(dǎo)電率較大，

式中:U1、U2為示波器測(cè)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(shí)，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(gè)周期一直產(chǎn)生，而是在每個(gè)周期電壓值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)間歇的重復(fù)生成，且等離子體耗散功率最大點(diǎn)出現(xiàn)在電壓達(dá)到負(fù)偏置時(shí)，這說(shuō)明負(fù)半周期時(shí)等離子體的發(fā)射需要更高的能量，而這個(gè)能量表現(xiàn)為負(fù)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(shí)并無(wú)電流泄漏過(guò)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(dǎo)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(shí)，電壓電流波形趨于穩(wěn)定。

3)放電過(guò)程的耗散功率

耗散功率是描述放電強(qiáng)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(guò)示波器輸出圖形，利用Matlab數(shù)學(xué)處理軟件對(duì)輸出數(shù)據(jù)(輸出電壓頻率、電壓峰值等)進(jìn)行處理。耗散功率P的計(jì)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?jǐn)?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(shí)，隨著電壓的升高，耗散功率明顯增加，因?yàn)榇藭r(shí)溶液中進(jìn)行的是簡(jiǎn)單的歐姆導(dǎo)電，主要為生理鹽水中電解質(zhì)離子進(jìn)行導(dǎo)電;鹽水溶液的導(dǎo)電率與溫度有很大關(guān)系，從5℃時(shí)的1S/m到65℃時(shí)的3S/m，因此隨著歐姆加熱的進(jìn)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(dāng)施加在電極上的電壓有效值超過(guò)175V時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的耗散功率驟減，觀察到電極的尖端有氣泡產(chǎn)生，同時(shí)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(shí)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(dǎo)電性與鹽水溶液高導(dǎo)電率使得蒸汽層的場(chǎng)強(qiáng)E大大增強(qiáng)。因此促成了較大的E/N比值。當(dāng)電極尖端局部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)足夠大時(shí)，會(huì)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(duì)放電產(chǎn)生的影響

在質(zhì)量分?jǐn)?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(cè)量等離子體放電產(chǎn)生過(guò)程中的電壓電流波形。溶液中放電有很大的隨機(jī)性，但經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)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(duì)電流波形影響不大，電流峰值在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。電極間距為4mm、8mm、20mm、30mm四種情況下的電流峰值僅相差幾個(gè)毫安。

2)放電具有一定的延時(shí)性，從施加電壓到形成穩(wěn)定放電需要一定的時(shí)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(jī)性相關(guān)。

綜合以上分析可認(rèn)為低溫等離子體在生理鹽水條件下產(chǎn)生時(shí)，電極間距對(duì)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(guò)程有很大不同，歸其原因主要是鹽水溶液屬于強(qiáng)電解質(zhì)溶液，導(dǎo)電率為0.6S/m(5.4×109s-1)，在電解質(zhì)離子導(dǎo)電過(guò)程中，相對(duì)于蒸汽層高阻抗來(lái)說(shuō)鹽水溶液的阻抗值可以忽略不計(jì)。因此在較大的電場(chǎng)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(duì)放電的影響較小。

2.4 電極相對(duì)面積對(duì)放電產(chǎn)生的影響

實(shí)驗(yàn)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(shí)，電極的相對(duì)面積對(duì)放電的作用影響很大。用面積相同的雙針極電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)等離子體在兩極任意的、無(wú)規(guī)律的產(chǎn)生。改變兩極相對(duì)面積之比，當(dāng)兩極相對(duì)面積之比小于1∶5時(shí)，等離子體易在面積較小的電極產(chǎn)生，同時(shí)改變兩極的接入順序，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相同。當(dāng)增大相對(duì)面積之比為1∶20時(shí)，發(fā)現(xiàn)放電產(chǎn)生的更猛烈。這說(shuō)明，放電相對(duì)電極面積越小時(shí)，通過(guò)放電電極的電流密度越大，放電電極周圍形成的場(chǎng)強(qiáng)就越強(qiáng)，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(duì)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(guò)程具有以下特性:

(1)電極間距一定時(shí)，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(shí)，耗散功率達(dá)到最大，電壓繼續(xù)增高時(shí)，耗散功率基本不變;

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

(4)結(jié)合實(shí)際，為產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的低溫等離子體放電，實(shí)驗(yàn)時(shí)施加電壓有效值應(yīng)大于175V，電極相對(duì)面積應(yīng)盡量大些，電極間距可以按需選取。

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