低温等离子体在生理盐水中放电的实验研究

张大伟，苗彩娟 ，马 超

(沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

等离子体是由大量相互作用的但仍处于非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体系，是除固态、液态、气态之外的物质存在的第四种状态，由高能电子、离子、活性自由基和中性粒子组成，实际上是电离率足够大的一种电离气体。按照带电粒子温度高低将其分为高温等离子体和低温等离子体两类。低温等离子体亦称非平衡等离子体，放电过程中电子的温度很高，但是离子的温度较低，整个体系呈现低温状态［1］。

近年来，在液体中产生低温等离子体的应用首先是在水质净化处理方面的研究。许多研究人员已经发表了他们的试验方法，并成功确定了液下放电消毒、杀菌的一般效应［2-4］。本文侧重研究在生理盐水中产生低温等离子体的方法，即低温等离子体消融技术。与传统产生等离子体的方法相比，低温等离子体消融技术的优点表现为:常温常压下即可在电解质溶液中产生低温等离子体;在生理盐水中产生的等离子体含有各种活性粒子(电子、离子，各种激发态的原子、分子以及自由基等)，这些高能粒子被证明具有很好的组织消融功能;由于水蒸气具有异常高的热容量，这种特殊的热物理性质，使得在等离子体产生过程中可以冷却放电电极，致使溶液和消融组织的温度均不会过高，保持在 40 ～70℃左右［5-8］。

低温等离子消融技术因其巨大的优越性已逐步发展起来并开始广泛的应用于临床医疗。因此，选择合适的放电条件，提高放电效率，对于研究等离子体放电的实际应用价值就显得尤其重要。本文通过搭建实验测量装置研究外加电压幅值、电极距离、电极相对面积等对放电产生的影响，进一步研究放电电压与耗散功率之间的相互关系，为在实际应用中优化反应器设计，提高放电效率提供依据。

1 实验研究

图1 低温等离子体的实验装置图

实验室建立的放电装置见图1所示，本实验是在标准大气压和室温的实验室条件下进行的，电源为成都美创公司研制的频率为100kHz的等离子发生装置，其电压输出有效值最大为300V。采用的电极结构为针—板型放电电极，垂直置于质量分数为0.9%的生理盐水溶液中，电极末端使用高压探头连接到DS-5000数字示波器用于测量放电过程中实时放电电压。放电回路串有R2=1Ω的无感采样电阻用于测量回路放电电流。

1.1 等离子实验电源

实验所用脉冲发生装置为成都美创电子科技有限公司提供的型号为MC310的等离子电源，频率为100kHz，电压有效值范围从100～300V可调，上升沿时间约为5ns。此MC310等离子电源产生的电压波形为方波波形，方波波形与正弦波波形相比在产生等离子体方面具有以下显著优点:在相同的实验条件下，方波放电的电离率远高于正弦波放电;相同频率下，方波波形的上升沿时间较短，更有利于等离子体的产生。

1.2 放电电极

实验中阴阳电极材料分别选用直径为2mm的镀银电极和3cm×5cm的不锈钢板电极。

镀银电极具有很高的耐高温和抗氧化特性。在放电等离子体产生后，阴极电极周围产生蒸汽鞘层，导致放电阻抗值增大，电极温度急剧升高，因此阴极电极必须能承受较高的温度，同时，电极在蒸汽等离子体环境中极易被氧化，所以必须对放电电极进行氧化保护。而阳极放电电极在放电过程中起热屏作用，不锈钢的导热性很差，不仅可以防止水蒸气在其壁上的凝结，还可以防止水溶液中不必要的热量散失。

2 实验过程及结果分析

2.1 放电过程及电气参数

在等离子体放电过程中，根据阻抗特性我们可以将其大致分为三个阶段。

第1阶段:预电离阶段，此时溶液中主要进行简单欧姆导电;

第2阶段:蒸汽层形成阶段，即当电压达到约175V时，蒸汽层的形成使得溶液阻抗值迅速增大;

第3阶段:等离子体形成阶段，同时伴随有光学和声脉冲以及气泡过程。

实验主要针对放电总体过程，对放电过程的电压电流特性曲线以及耗散功率三个方面进行研究。

1)放电过程

图2为电极间距为4mm时，针-板型电极在放电过程中阻抗特性随外加电压值的关系曲线。

图2 阻抗与外加电压关系曲线

电极间距为4mm时，当施加电压较低时，通常在电压有效值低于100V时，溶液中没有等离子体产生，盐水溶液的电压电流特性符合简单的欧姆定律，此时主要靠溶液中的正负离子导电，如Na+离子以及Cl-离子在电场作用下做定向移动，阻抗特性基本保持不变。随着电压升高，活性电极被激发，此时可明显的观察到电极周围产生很多小气泡，当电压足够高时，在电极周围场强较大区域会产生厚度约为50～100μm的蒸汽层，同时伴随有“滋滋”的声音以及橘黄色的等离子体发射光，证明低温等离子体产生。蒸汽层的产生促使极间阻抗迅速增长，同时由于盐水溶液比较大的导电率，此时放电产生的功率基本上耗散在电极周围形成的蒸汽层中。

2)放电过程电压电流特性曲线

实验中研究了放电过程中电压电流特性曲线。图3为电极间距为4mm、施加电压脉冲Vrms=200V时，0.9%的生理盐水中，示波器显示放电电压电流随时间关系的波形曲线。

图3 电压电流动态曲线

从图3可以得出，由于盐水溶液导电率较大，

式中:U1、U2为示波器测得电压值;T为电压周期;R2为采样电阻。

图4为在电极间距4mm，外加电压200V时，0.9%生理盐水中的耗散功率曲线图。从图4可以看出，等离子体不在整个周期一直产生，而是在每个周期电压值出现转折时间歇的重复生成，且等离子体耗散功率最大点出现在电压达到负偏置时，这说明负半周期时等离子体的发射需要更高的能量，而这个能量表现为负半周期的耗散功率明显的大于正半周期的最大功率。放电开始时并无电流泄漏过程，而是电流随电压的升高而升高，随后由于蒸汽层形成，致使电极间阻抗平均值增大，极间电流密度迅速减小，蒸汽层被击穿后，电流迅速回升，但由于水蒸汽与生理盐水导电性相差较大，所以电流较之前下降。待放电在蒸汽层形成稳定击穿时，电压电流波形趋于稳定。

3)放电过程的耗散功率

耗散功率是描述放电强弱的物理量。本文采用电压-电流图形法获得耗散功率。该方法通过示波器输出图形，利用Matlab数学处理软件对输出数据(输出电压频率、电压峰值等)进行处理。耗散功率P的计算公式为

图4 耗散功率曲线图

2.2 外加电压幅值产生的影响

保持电极间距为4mm，在生理盐水(质量分数为0.9%)中施加不同电压于放电电极，得到耗散功率曲线如图5所示。从图5可以看出，电压幅值与耗散功率呈非线性关系。电压有效值低于175V时，随着电压的升高，耗散功率明显增加，因为此时溶液中进行的是简单的欧姆导电，主要为生理盐水中电解质离子进行导电;盐水溶液的导电率与温度有很大关系，从5℃时的1S/m到65℃时的3S/m，因此随着欧姆加热的进行，耗散功率随放电电压基本呈线型关系上升。继续增高电压，当施加在电极上的电压有效值超过175V时，实验测得的耗散功率骤减，观察到电极的尖端有气泡产生，同时伴随有明亮的橘黄色等离子体发射光。耗散功率下降原因归结为:(1)形成的蒸汽层中离子密度N与液态时相比大幅降低，使得电极附近阻抗增大;(2)由于蒸汽层中低导电性与盐水溶液高导电率使得蒸汽层的场强E大大增强。因此促成了较大的E/N比值。当电极尖端局部电场场强足够大时，会在瞬间产生非平衡低温等离子体。

图5 耗散功率随施加电压的关系曲线

2.3 电极间距对放电产生的影响

在质量分数为0.9%的生理盐水溶液中，在针-板型电极间距分别为4mm、8mm、20mm、30mm下测量等离子体放电产生过程中的电压电流波形。溶液中放电有很大的随机性，但经过多次实验发现放电形成的电压电流波形具有一定的规律。

1)稳定放电后，电极间距对电流波形影响不大，电流峰值在允许范围内波动。电极间距为4mm、8mm、20mm、30mm四种情况下的电流峰值仅相差几个毫安。

2)放电具有一定的延时性，从施加电压到形成稳定放电需要一定的时间。这可能是由于溶液温度等初始放电条件和电极尖端自由电子形成的随机性相关。

综合以上分析可认为低温等离子体在生理盐水条件下产生时，电极间距对放电产生的影响很小，这种现象与所了解的空气中放电产生等离子体过程有很大不同，归其原因主要是盐水溶液属于强电解质溶液，导电率为0.6S/m(5.4×109s-1)，在电解质离子导电过程中，相对于蒸汽层高阻抗来说盐水溶液的阻抗值可以忽略不计。因此在较大的电场作用下，由于电解质离子较大的迁移率，使得电极间距的改变对放电的影响较小。

2.4 电极相对面积对放电产生的影响

实验发现，与辉光放电等直流放电不同的是，生理盐水中产生低温等离子体时，电极的相对面积对放电的作用影响很大。用面积相同的双针极电极进行实验时，发现等离子体在两极任意的、无规律的产生。改变两极相对面积之比，当两极相对面积之比小于1∶5时，等离子体易在面积较小的电极产生，同时改变两极的接入顺序，发现实验现象相同。当增大相对面积之比为1∶20时，发现放电产生的更猛烈。这说明，放电相对电极面积越小时，通过放电电极的电流密度越大，放电电极周围形成的场强就越强，相同条件下击穿蒸汽层形成等离子体也就越容易。表1为电压有效值为200V放电产生电极与两极电极表面积之比。

表1 电极相对面积与放电产生电极关系

3 结论

生理盐水中产生低温等离子体过程具有以下特性:

(1)电极间距一定时，外加电压幅值与耗散功率呈非线性关系。在电压有效值为175V时，耗散功率达到最大，电压继续增高时，耗散功率基本不变;

(2)外加电压幅值一定时，电极间距对放电产生的影响不大;

(3)电极间距与外加电压幅值一定，电极相对面积为1∶1时，两极都产生放电，且电极相对面积之比越大，面积较小放电越容易产生;

(4)结合实际，为产生更为强烈的低温等离子体放电，实验时施加电压有效值应大于175V，电极相对面积应尽量大些，电极间距可以按需选取。

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