CN103179771A - 一种大气压低温等离子体发生装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大气压低温等离子体发生装置及其应用，本装置的结构特征为绝缘材料包裹多电极放电结构，本装置通过采用多种反应气体，当向两个通气孔向反应装置的腔体内通入反应气体后，再通过电源供电加压至相应气体电离值时，在大气压条件下，于反应装置的反应器口的狭缝处便可产生等离子体，等离子体喷射长度约0.3~3cm。气体温度为室温，并且可触摸无电击危险。实验证明，利用本装置针对柞蚕卵面，微粒子和喂食叶片三个易感途径进行处理，从而达到柞蚕微粒子病害防治效果。处理效果明显，放电方式简单，成本低，能量消耗低，产生的等离子体可人体触摸，操作安全使用方便灵活等。
Description
技术领域
本发明属于等离子体应用技术领域，具体涉及一种利用大气压低温等离子体技术在柞蚕养殖过程中的应用和实现该方法的装置。
背景技术
柞蚕（Tussah）蚕茧是中国的特产之一。我国约有13万农户从事柞蚕生产，年产柞蚕蚕茧约7万吨。辽宁省是中国柞蚕的主产区，柞蚕蚕茧产量约占全国总产量的70%，柞蚕生产是重点蚕区农业生产的重要组成部分，蚕业收入占农业收入的30%以上，柞蚕生产对于发展国民经济、提高人民生活水平具有重要意义。
柞蚕微粒子病（Pebrine Disease）俗称锈病，是由微粒子孢子寄生柞蚕而引起的慢性传染病，是柞蚕的主要病害之一。一般年份的柞蚕微粒子病在丝茧生产上的发病率为30%-70%，对柞蚕种茧的质量影响较大，给柞蚕生产带来了重大的经济损失。柞蚕微粒子孢子自身不能运动，孢子具厚壁，自然活力极强，在幼虫，蛹，蛾的尸体中经数年仍有感染力，散落在环境中的孢子在阴冷潮湿的地方一年以上，在干燥明亮的场所几个月仍具有感染力。近年来柞蚕种蚕微粒子病率呈现上升趋势柞蚕微粒子病已严重威胁到柞蚕产业。柞蚕微粒子病的发生主要是由于卵面消毒不彻底，环境存有微粒子孢子，蚕期食下病源再感染等原因所致。吴启茂等应用水解酶复合剂卵面处理防治效果可达27%-75%；张禹等研制出治疗药剂-残秀康对轻症胚种传染的治疗效果约达77%。但长期使用化学药剂会引发环境污染，微粒子孢子抗药性以及将残留化学物质引入食物链后在人体内积累等危害。大气压低温等离子体可根据处理对象设计不同形式，产生大面积等离子体，进行大面积处理；或小范围等离子体，进行局部处理。通过电离气体中的高能场，电子及电离过程中产生的大量活性自由基与其相互作用，无二次污染，方便易携，能耗低。经过5分钟等离子体处理后，微孢子虫的死亡效率可达100%，完全失去活性。可以为柞蚕微粒子病的防控提供一种有效的手段。
至今为止，利用大气压低温等离子体技术对柞蚕微粒子病的防控尚无报道。利用大气压低温等离子体技术进行柞蚕微粒子病的防控具有十分重要的应用价值。这种防治方法成本低，设备简单，效果明显，对处理对象无损伤，同时处理后不会产生二次污染。
发明内容
本发明的目的是基于传统柞蚕养殖技术，克服柞蚕养殖过程中病害防治方法的不足，提供一种大气压条件下产生冷等离子体的实验装置及其应用方法，本装置结构简单，使用方便灵活，本发明的实施例证明，本装置可对柞蚕卵面消毒、给食和柞蚕生活环境三个方向对柞蚕养殖过程中的病害，尤其是对微粒子虫的感染进行处理和防控，效果明显且成本低廉。
利用大气压低温等离子体对柞蚕微粒子病害防控具有独特的优势：如放电方式简单，无需复杂的真空设备，设备成本低，处理效果明显，能量消耗低，产生的等离子体可人体触摸，操作安全使用方便灵活等。
本发明所述的大气压低温等离子体发生装置由4部分组成，分别为电源、反应装置、样品台和检测装置；其中，
所述的反应装置由两个通气孔、内电极、金属电极、盲孔光纤、绝缘垫片、反应器口组成;
反应装置为长方体结构，中空，采用绝缘材料制得；
两个通气孔设置在反应装置的侧壁，且两个通气孔所在的平面与侧壁轴向垂直，通气孔所在的平面远离反应器口，且通气孔腔体与反应装置的腔体相连通；
反应装置的一端设置有呈漏斗形的反应器口，在反应器口的端部设置有狭缝；在反应装置另一端的腔体内，由绝缘垫片将内电极固定于其轴中心位置；
所述的内电极结构为：由盲孔光纤包裹金属电极而组成的单元，若干单元平行紧密排列构成内电极；盲孔光纤靠近反应器口的一端是封闭的，盲孔光纤远离反应器口的一端是裸露金属电极的，使金属电极通过导线与电源连接。
对于以上技术方案中，优选的情况下，反应装置的材料为石英、玻璃、陶瓷、聚四氟或电木。
对于以上技术方案中，优选的情况下，金属电极的材质为铜，钨或铁。
对于以上技术方案中，优选的情况下，反应器口的狭缝与内电极相对应，且内电极末端距离反应器口的狭缝约1mm。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述的电源采用交流电源或脉冲电源，由导线和反应装置及检测装置相连接；其中交流电源参数为电压峰-峰值调节范围为0-30kV，频率调节范围为1-30kHz；脉冲电源参数为电压峰峰值调节范围为0-20kV，频率调节范围为1-10000Hz。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述交流电源由信号放大器和数字信号发生器组成；所述的数字信号发生器可产生方波信号，正弦信号，三角波信号等，本实例选用正弦信号，通过信号放大器放大产生高压交流电。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述的样品台由连接大地的良导体金属板和覆盖于其表面的绝缘介质层组成。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述的良导体金属板的材质为铁或铜，所述的绝缘介质层为石英、玻璃或陶瓷。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述的样品台由连接大地的铜板作为金属板，绝缘介质层的材质为石英。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述的检测装置由高压探头连接数字示波器；以及光纤、光纤光谱仪连接电脑组成。
对于以上技术方案中所述的大气压低温等离子体发生装置，其使用方法如下：
①使反应装置的反应器口对准目标区域；样品台垂直放置在反应装置的正下方，距离反应器口位置0.3~2.0cm远；
②从所述两个通气孔，向反应装置的腔体内通入反应气体，所述的反应气体为空气，氮气，氦气，氩气，氧气中的一种或多种混气体；气体流量可调范围为0~200sccm或0~10SLM；
③调节外接电源：当使用交流电源时，电压峰-峰值调节范围为0-30kV，频率调节范围为1-30kHz；当使用脉冲电源时，电压峰-峰值调节范围为0-20kV，频率调节范围为1-10000Hz；
使所述反应装置的反应器口释放出的大气压低温等离子体，完全覆盖目标区域；处理时间为5分钟以上，即至少处理5min，才有显著效果。
对于以上技术方案中，优选的情况下，所述的交流供电电压4kV，频率9kHz，工作气体为氦气添加1%氧气，气体流量为2.8SLM；反应装置2到样品台3的距离为0.5mm，处理时间为5分钟。
本发明的创新特征是：
1)大气压低温等离子体装置对柞蚕病害防治，实验装置结构简单，使用方法方便灵活。
2)不需要复杂的真空设备，具有低成本，低能耗，高效率等特点。
3)放电时气体温度低（室温），处理过程中不会对处理对象造成损伤，用于柞蚕生活环境处理，尤其杀除环境中的微粒子，例如柞蚕卵面附着的微粒子及给食叶片上感染的微粒子，降低微粒子发病率，效果明显且成本低廉。
4)处理后无废气产生。
附图说明
图1：实施例1所述大气压低温等离子体发生装置示意图及各部件连接方式，其中：
1.电源、2.反应装置、3.样品台、4.检测装置；
11.信号放大器和12.数字信号发生器；
21通气孔、223.内电极、22.电极、23.盲孔光纤、24.绝缘垫片、25.反应器口
31.金属板、32.绝缘介质层；
41.高压探头、42.数字示波器、43.光纤、44.光纤光谱仪、45.电脑;
图2：实施例1所述大气压低温等离子体发生装置的正视图；
图3：实施例1所述大气压低温等离子体发生装置的盲孔光纤平行紧密排列的示意图；
图4：柞蚕微粒子感染柞树叶经本发明所述装置处理后喂养柞蚕的状态对比示意图：其中，1.原始对照样品；2.等离子体处理1min喂食柞蚕样品；3.等离子体处理2min喂食柞蚕样品；4.等离子体处理3min喂食柞蚕样品；5.等离子体处理4min喂食柞蚕样品；6.等离子体处理5min喂食柞蚕样品；a为在同一批蚕卵里，选取蚕体尺寸相似处于第三生长期的健康柞蚕作为试验样品；b为喂食经等离子体装置放电处理三天后的柞蚕状态（与各柞蚕原始状态a相对应）；c为b状态下抽取柞蚕的肠道提取液。a1、b1、c1每个处理条件对应同一只柞蚕。
经过图3的试验结果证明经过等离子体5min处理后，柞蚕感染后保持健康，柞蚕微粒子被完全杀除。
图5：等离子体处理后微粒子发芽并吉姆斯染色。图中可直观的看出微粒子发芽的数量，保持活性的微粒子的生理特征就是发芽弹射极丝，通过染色看出经过等离子体5min处理后，微粒子失去活性。
图6：N2（C-B）第二负带峰值光谱拟合，图示结果证明，通过光谱拟合给出放电气体温度，说明温度低，对生物材料表面无热损伤。
图7：大气压低温等离子体发生装置氦气添加氧气放电发射光谱，图示结果给出放电的发射光谱，列出放电过程中产生的活性成分有N2（C-B），O原子，亚稳态的He,N2 +等。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1大气压低温等离子体装置的具体结构
下面结合附图1和2，对大气压低温等离子体发生装置的结构及各部件连接方式加以描述实施例1所述装置也可称为等离子体刷装置。
所述的大气压低温等离子体发生装置由4部分组成，分别为电源1、反应装置2、样品台3和检测装置4；其中:
反应装置2由通气孔21、内电极223、金属电极22、盲孔光纤23、绝缘垫片24、反应器口25组成;
样品台3由金属板31和绝缘介质层32组成;
检测装置4由高压探头41、数字示波器42、光纤43、光纤光谱仪44、电脑45组成;
电源1可采用交流电源或脉冲电源，其中交流电源参数为电压峰-峰值调节范围0-30kV频率调节范围1-30kHz；脉冲电源参数为电压峰峰值调节范围0-20kV频率调节范围1-10000Hz。
本发明实施例中的电源1以交流电源为例，由信号放大器11和数字信号发生器12两部分组成。数字信号发生器12可产生方波信号，正弦信号，三角波信号等，本实例选用正弦信号，通过信号放大器11放大产生高压交流电，并由导线和反应装置2的金属电极22及检测装置4的高压探头41相连接。
反应装置2采用石英、玻璃、陶瓷、聚四氟或电木等绝缘材料加工，长宽可针对处理对象不同而设计调节，本发明实施例中反应装置2采用石英材料加工，呈长方体，中空，其长为11cm，宽1cm，壁厚2mm。
两个通气孔21设置在反应装置2的侧壁，且两个通气孔21所在的平面与反应装置2轴向垂直，通气孔21所在的平面远离反应器口25从而达到通气均匀目的，同时也保证了放电的均匀性，且通气孔21腔体与反应装置2的腔体相连通；可以向两个通气孔21通入反应气体，工作气体可为空气，氮气，氦气，氩气，氧气或其混合物，例如可用氦气和氧气，氮气和氧气，氩气和氧气等多种气体的混合气体，其中本发明实施例中采用“氦气添加1%氧气”效果最明显。图1为侧视图，两个通气孔21并排排列，所以侧视图中只标示出一个通气孔，图2为正视图，两个通气孔21并排排列。
反应装置2的一端设置有呈漏斗形的反应器口25，其有利于电离活性物质的聚集，在反应器口25的端部设置有狭缝。在反应装置2另一端的腔体内，由绝缘垫片24将内电极223固定于其轴中心位置，其中所述的内电极结构223为：由盲孔光纤23包裹金属电极22而组成的单元，若干单元平行紧密排列构成内电极223。
金属电极22的材质为金属良导体（如铜，钨，铁等材质），本发明的实施例以直径为190um的铜丝做为金属电极22，每一根铜丝金属电极22的外部由盲孔光纤23外径1mm，内径200um包裹形成的单元，100个单元平行紧密排列，如图3所示，形成内电极223，即无漏电危险，。内电极223末端距离反应器口25的狭缝约1mm，本发明实施例中所采用反应器口25的狭缝与内电极223相对应，狭缝的长10cm宽1mm，内电极223末端距离反应器口25约1mm。
如图2所示，铜丝金属电极22插入盲孔光纤23的中心，本发明中所述盲孔光纤23是指空心光纤，其靠近反应器口25的一端是封闭的，因此其产生的等离子体放电区域被盲孔光纤23完全包裹，有效的遏制了放电模式的转化，提高放电稳定性和均匀性。所述盲孔光纤23远离反应器口25的一端是裸露铜丝金属电极22的，使金属电极22通过导线与电源1连接。
本发明实施例中，选用100根盲孔光纤23平行紧密排列，是根据处理环境及样品的大小而定，欲产生大面积大尺寸放电，本领域技术人员则可以将盲孔光纤23排列根数增加，欲针对小尺寸小面积处理时，盲孔光纤23排列根数也可以相应的减少，此参数的设置，本领域技术人员可以待处理环境及样品的大小自由选择。
样品台3由连接大地的良导体金属板31（如铁，铜等）和覆盖于其表面的绝缘介质层32（石英，玻璃，陶瓷等）组成，经由绝缘介质层32的阻挡有效遏制了均匀放电向弧光放电转化。本发明实施例中，样品台3由连接大地的铜板作为金属板31，覆盖于其表面的绝缘介质层32为石英。
检测装置4由电学信号测量仪器和光学信号测量仪器两部分组成电学信号测量仪器包括41和42，光学信号测量仪器包括43,44和45，放电参数由高压探头41连接数字示波器42进行探测，以控制放电等离子体剂量；活性物质通过光纤43将光信号引入光纤光谱仪44连接电脑45进行采集，分析气体温度和放电产生的活性物质。
实施例2大气压低温等离子体装置的使用方法
1.大气压低温等离子体装置的使用方法
①使反应装置2的反应器口25对准目标区域；样品台3垂直放置在反应装置2的正下方，距离反应器口25位置0.3~2.0cm远。
②从所述两个通气孔21，向反应装置2的腔体内通入反应气体，所述的反应气体为空气，氮气，氦气，氩气，氧气中的一种或多种混气体；气体流量可调范围为（0~200sccm）或（0~10SLM）；
③调节外接电源1：当使用交流电源时，电压峰-峰值调节范围为0-30kV，频率调节范围为1-30kHz；当使用脉冲电源时，电压峰-峰值调节范围为0-20kV，频率调节范围为1-10000Hz；
使所述反应装置2的反应器口25释放出的大气压低温等离子体，完全覆盖目标区域；处理时间为5分钟以上，（一般情况下，处理5分钟或以上能取得较好的效果）。
2.实施例1所述的装置的设置参数。
交流供电电压4kV，频率9kHz，工作气体为氦气添加1%氧气，气体流量为2.8SLM；反应装置2到样品台3的距离为0.5mm，此条件下，喷射出来的等离子体对柞蚕的卵面，生活环境，喂食叶片分别进行处理，处理时间为5min。
本装置的特点：
利用交流和脉冲技术产生大气压低温等离子体，电离气体产生的电子束及活性自由基对柞蚕微粒子孢子进行杀除。
电离气体产生的活性物质寿命较短在空气中与其它气体分子碰撞便可淬灭。
利用盲孔光纤管密排作为放电电极可形成均匀的场强，形成大面积均匀等离子体，保持处理的均匀性和一致性。
实施例1中利用一端是封闭的盲孔光纤管包裹铜丝金属电极可有效防止放电由辉光向电弧的转化，保持放电的稳定性。
实施例3本发明所述装置的应用效果评价
（一）对柞蚕进行处理的实验过程
1.实验对象：
柞蚕蚕卵，微粒子和柞树叶
2.实验步骤：
按照实施例2的方法操作，每天利用相机拍照取样。图4为柞蚕微粒子感染柞树叶经本发明所述装置处理后喂养柞蚕的状态对比示意图。结果证明经过等离子体处理1-4min，柞蚕微粒子仍没有完全杀除，喂食柞蚕导致柞蚕感染致死；经过等离子体处理5min，柞蚕微粒子完全被杀出，喂食柞蚕，柞蚕仍健康生长。肠道提取液与初始样品一次对比，越来越澄清。
3.实验结果
①处理后柞蚕微粒子发芽经由吉姆斯染色观察，柞蚕微粒子100%死亡。实验结果如图5。
具体的实验过程如下：微粒子发芽是指具有活性的微粒子在碱性条件下弹射出极丝，注入细胞基质的过程，通过这一过程将微粒子细胞基质注入蚕体达到感染传播的效果。通过等离子体处理含有微粒子的溶液1-5min，然后滴加碱性KOH溶液，在碱性条件下诱导发芽，发芽后细胞弹射极丝表面完整性遭到破坏，通过添加吉姆斯染色剂，整个细胞被染色的微粒子来说明具有活性，只有外部被染色的微粒子则死亡，不具有活性，通过染色后各样品染色效果的对比给出微粒子死亡率。
②柞蚕的变化：喂食感染柞蚕微粒子的柞树叶，三天后将同一柞蚕拍照对比，如图4所示，可以看出将感染柞树叶的微粒子用等离子体处理5分钟后，再用于喂食，柞蚕保持健康。还证明等离子体刷氦气添加1%氧气杀除效果最为明显。同时，添加微量氧气是经验值，根据其他真菌细菌实验1,2，也证明在1%氧气添加量的氦气放电里杀菌效果最为突出。
4.废气测定：
通过发射光谱测试，结果如图5，N2（C-B）第二负带峰值光谱拟合。图示结果表明放电产生活性物种为N2（C-B），N2 +，He*，O，活性物质存活寿命很短，约为100ns-200us，且易与空气中的氧气复合湮灭。光纤固定在样品台（3）下垂直正对放电区域，将等离子体放电产生的光信号传到到光纤光谱仪中，光谱仪光栅设定1200线，扫描波长范围200-900nm，通过光谱特定波长的分析，给出放电产生的活性物质。
5.处理对象表面温度测定
用步骤4同样的方法测试，光谱仪光栅设置2400线，扫描波长300-500nm，选取N2（C-B）第二负带峰值光谱利用通用的模拟软件拟合，通过调整模拟软件的震动温度和转动温度值，直到模拟结果和测试结果基本完全吻合，给出震动温度和转动温度值，而在大气压非平衡等离子体中，通常认为转动温度与放电气体温度相近似，因此认为模拟出的转动温度为放电气体温度。结果如图6，通过发射光谱测试，利用N2（C-B）第二负带峰值光谱拟合，测得气体温度在300K,接近室温，最终证明了本装置的使用对环境无污染。
本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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Claims (10)
1.一种大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：由4部分组成，分别为电源（1）、反应装置（2）、样品台（3）和检测装置（4）；其中，
所述的反应装置（2）由两个通气孔（21）、内电极（223）、金属电极（22）、盲孔光纤（23）、绝缘垫片（24）、反应器口（25）组成;
反应装置（2）为长方体结构，中空，采用绝缘材料制得；
两个通气孔（21）设置在反应装置（2）的侧壁，且与侧壁轴向垂直，通气孔（21）所在的平面远离反应器口（25），且通气孔（21）腔体与反应装置（2）的腔体相连通；
反应装置（2）的一端设置有呈漏斗形的反应器口（25），在反应器口（25）的端部设置有狭缝；在反应装置（2）另一端的腔体内，由绝缘垫片（24）将内电极（223）固定于其轴中心位置；
所述的内电极结构（223）为：由盲孔光纤（23）包裹金属电极（22）而组成的单元，若干单元平行紧密排列构成内电极（223）；盲孔光纤（23）靠近反应器口（25）的一端是封闭的，盲孔光纤（23）远离反应器口（25）的一端是裸露金属电极（22）的，使金属电极（22）通过导线与电源（1）连接。
2.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述反应装置（2）的材料为石英、玻璃、陶瓷、聚四氟或电木。
3.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述金属电极（22）的材质为铜，钨或铁。
4.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述反应器口（25）的狭缝与内电极（223）相对应，且内电极（223）末端距离反应器口（25）的狭缝约1mm。
5.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述的电源（1）采用交流电源或脉冲电源，由导线和反应装置（2）及检测装置（4）相连接；其中交流电源参数为电压峰-峰值调节范围为0-30kV，频率调节范围为1-30kHz；脉冲电源参数为电压峰-峰值调节范围为0-20kV，频率调节范围为1-10000Hz。
6.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述交流电源由信号放大器（11）和数字信号发生器（12）组成；所述的数字信号发生器（12）可产生方波信号，正弦信号，三角波信号。
7.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述的样品台（3）由连接大地的良导体金属板（31）和覆盖于其表面的绝缘介质层（32）组成；
所述的良导体金属板（31）的材质为铁或铜，所述的绝缘介质层（32）为石英、玻璃或陶瓷。
8.根据权利要求1所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述的样品台（3）由铜板作为金属板（31），绝缘介质层（32）的材质为石英；
所述的检测装置（4）由高压探头（41）连接数字示波器（42）；以及光纤（43）、光纤光谱仪（44）连接电脑（45）组成。
9.如权利要求1所述装置的使用方法，其特征在于：操作步骤包括：
①使反应装置（2）的反应器口（25）对准目标区域；样品台（3）垂直放置在反应装置（2）的正下方，距离反应器口（25）位置0.3~2.0cm；
②从所述两个通气孔（21），向反应装置（2）的腔体内通入反应气体，所述的反应气体为空气，氮气，氦气，氩气，氧气中的一种或多种；气体流量可调范围为0~200sccm或0~10SLM；
③调节外接电源（1）：当使用交流电源时，电压峰峰值调节范围为0-30kV，频率调节范围为1-30kHz；当使用脉冲电源时，电压峰-峰值调节范围为0-20kV，频率调节范围为1-10000Hz；
使所述反应装置（2）的反应器口（25）释放出的大气压低温等离子体，完全覆盖目标区域；处理时间为5分钟以上。
10.根据权利要求9所述的大气压条件下产生低温等离子体的装置，其特征在于：所述的交流供电电压4kV，频率9kHz，工作气体为氦气添加1%氧气，气体流量为2.8SLM；反应装置（2）到样品台（3）的距离为0.5mm，处理时间为5分钟。
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