保护气体对等离子体射流物理特性和活性粒子密度的影响研究

Atmospheric pressure cold plasma jets have promising applications on bio-medicine and material science due to their high chemical activity and extensive adaptability. Since plasma jets are usually generated in ambient air, the physical and chemical properties are significantly impacted by air diffusion. On one hand, the properties of plasma jets is relatively random due to the uncontrollable components in air (such as H2O). On the other hand, reactive oxygen and nitrogen species are always generated no matter they are good or bad for practical application. Therefore, it’s of great important to control the surrounding gas. In this project, different shielding gases will be applied to the plasma jet, and the physical characteristics and the densities of active species will be studied, and their main physical mechanisms will be abtained. Then based on these work, efforts will be contributed to control the spatial distribution of active species. One way is to divide shielding gas into several layers and partitions into which gases of different compositions is added. Finally we will find ways to prevent active species from diffusing into ambient air in order to protect humans, other living things and objects. Radical scavengers will be added into the outer layer shielding gas to inactivate free radicals.

大气压低温等离子体射流有广阔的应用前景。它们通常直接产生于周围空气中。由于空气会扩散进入射流，因而空气中的不可控因素（如H2O含量）会导致等离子体特性的随机性。同时空气中固有的氮氧等成份导致等离子体中始终出现活性氮、氧自由基，它们在很多应用场合产生有害作用。为避免上述问题，必须在射流周围施加保护气体。不同的保护气体会对等离子体物理特性以及活性粒子种类、密度造成不同影响。为更好的利用等离子体射流，需对此展开深入研究。本课题通过向射流周围通入一层和多层不同组分的保护气体以控制环境气体，利用各种诊断方法研究保护气体对等离子体射流物理特性以及活性粒子的影响及其物理机理。在此基础上通过分层、分区向保护气体中加入促进或抑制特定活性粒子产生的气体成分，对产生的活性粒子种类和密度的空间分布进行控制。并进一步研究向等离子体射流外层保护气体中加入活性粒子清除剂以阻止活性粒子扩散到周围环境中对人或物体造成危害。

等离子体射流中活性粒子的产生和调控是等离子体射流实际应用至关重要的一个部分。其中保护气体是对射流特性，尤其是其化学活性进行调控的重要手段。本课题正是为了弄清楚保护气体对射流特性的影响而提出的。本项目的研究过程中，首先针对引入保护气体后气流及射流的稳定性进行了研究。在获得稳定射流参数的条件下，进一步研究了保护气体对射流物理特性的影响。最后深入探讨了射流中保护气体对活性粒子密度及其时间、空间分布的影响。研究中发现虽然合理流速的保护气体并不会显著影响到气流的稳定性，但放电却会显著影响到气流的稳定性，从而进一步影响到工作气体与保护气体之间的混合，并最终影响射流的稳定性。通过纹影照相技术以及高速摄影技术，我们对放电与气流之间相互作用的等离子体物理学以及流体力学机制展开了研究，揭示出放电影响气流的本质机理，获得了保持气流稳定的参数条件。在此基础上进一步研究了保护气体对射流物理特性的影响，发现保护气体对正极性射流的行为影响主要是通过气体扩散改变放电区域的气体组分来实现的。而对负极性射流的影响则要复杂得多，其中涉及到电子的径向扩散以及电场的径向发散行为，从而对负极性射流产生了显著的影响。同时也发现了射流显示出不同极性的物质本质，以及对射流极性进行控制的有效方法。最后，本课题对有保护气体条件下射流中活性氧原子的密度的时间、空间分布进行了研究，发现射流中活性氧原子主要产生于电极附近的区域，少量的氧气可以显著促进氧原子的产生，而过量的氧气则会导致氧原子密度下降。同时，也发现保护气体中的氧气对射流中氧原子的产生作用较小，保护气体中过量的氧气对氧原子密度的降低作用也不大。因此保护气体的作用主要在于影响射流的物理特性，从而间接影响到活性粒子的产生，以及隔绝周围空气对射流中气体组分的影响。