CN113747645A - 一种柔性等离子体源特性分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性等离子体源特性分析系统，包括柔性等离子体源放电子系统和放电参数采集检测子系统，柔性等离子体源放电子系统包括脉冲电源和柔性等离子体源，脉冲电源和柔性等离子体源电性连接，放电参数采集检测子系统包括电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部，电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部分别与柔性等离子体源放电子系统连接。本发明的柔性等离子体源特性分析系统能够准确高效的分析不同激励源下柔性CDBD的放电特性、光学特性、光谱特性以及温度特性，得到放电功率、传输电荷、能量利用效率、放电产生的主要粒子及反应器表面温度等参数，以及随外加电压以及放电频率等电源参数的演变规律。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体源技术领域，特别是涉及一种柔性等离子体源特性分析系统。
背景技术
生活中意外擦伤、大面积烧伤、术后伤口护理以及真菌感染引起的皮肤病，都需尽快修复皮肤保护层以及杀灭真菌以防止伤口的进一步感染化脓，这也是医学界始终关注的焦点。医学上常用的伤口处理主要为化学药剂法，采用的化学试剂主要有75％的酒精、碘伏、紫药水和双氧水等。这些药剂往往需要存储于特定的容器和环境中、对伤口组织的刺激大、处理过程和方法也较为复杂。
近年来，低温等离子体技术发展迅速，与现有灭菌技术的对比，等离子体灭菌技术在工作温度、适用范围、灭活时间等方面均优于其它灭菌方式。在大气压环境下，气体放电是获得等离子的主要手段，包括高温等离子体(平衡等离子体)和低温等离子体(非平衡等离子体)。产生低温等离子体的方式众多，主要有辉光放电(Glow Discharge)、电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielecteric Barrir Discharge,DBD)、滑动电弧放电(Gliding Arc Discharge,GAD)和大气压等离子体射流(Atmospheric Pressure PlasmaJet，APPJ)等。其中，介质阻挡放电(Dielecteric Barrir Discharge,DBD)包括沿面介质阻挡放电(Surface dielectric barrier discharge，SDBD)和共面介质阻挡放电(Coplanardielectric barrier discharge，CDBD)，其中，CDBD激励形式，相较于SDBD激励形式，高电极与地电极深埋于介质中，避免了电极的氧化，极大增强了电极的使用寿命，等离子体产生于电极系统上方的薄层，人体不会直接接触高地电极，避免了漏电危险。
目前，基于CDBD放电技术的等离子体装置现已初步展示了良好的应用效果和前景，现有的技术研究主要集中于探索其在消毒灭菌、伤口处理和食品保鲜等领域的应用效果和反应机理，较少有系统地研究在不同工作条件下柔性CDBD的放电特性。
因此，亟需一种等离子体源特性分析系统，用于探索在不同激励源下柔性CDBD的放电特性、光学特性、光谱特性以及温度特性，得到放电功率、传输电荷、能量利用效率、放电产生的主要粒子及反应器表面温度等参数，以及随外加电压以及放电频率等电源参数的演变规律，据此来优化放电参数，同时也为电源研发提供数据基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性等离子体源特性分析系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够准确高效的分析不同激励源下柔性CDBD的放电特性、光学特性、光谱特性以及温度特性，得到放电功率、传输电荷、能量利用效率、放电产生的主要粒子及反应器表面温度等参数，以及随外加电压以及放电频率等电源参数的演变规律。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种柔性等离子体源特性分析系统，包括柔性等离子体源放电子系统和放电参数采集检测子系统，
所述柔性等离子体源放电子系统包括脉冲电源和柔性等离子体源，所述微秒脉冲电源和所述柔性等离子体源电性连接，
所述放电参数采集检测子系统包括电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部，所述电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部分别与所述柔性等离子体源放电子系统连接。
优选地，所述脉冲电源采用微秒脉冲电源或微秒/纳秒脉冲电源。
优选地，微秒脉冲电源的输出频率为0.9kHz～1.1kHz，电压幅值为0～12kV，上升/下降沿均为7.5μs，脉宽设置为6.5μs。
优选地，所述脉冲电源包括供电电源、第一升压模块、第二升压模块、IGBT、变压器和脉冲发生器，所述供电电源通过所述第一升压模块分别与所述第二升压模块和所述IGBT连接，所述第二升压模块与所述变压器串联，所述IGBT与所述脉冲发生器串联，其中，所述供电电源采用储能锂电池，所述变压器的匝数比为50:2500。
优选地，所述柔性等离子体源包括高压电极、地电极和柔性绝缘介质，所述高压电极和所述地电极交错排列在所述柔性绝缘介质中。
优选地，所述电气特性分析部包括示波器、高压探头、差分探头、罗氏线圈和测量电容，所述示波器分别与所述高压探头、所述差分探头、所述罗氏线圈连接，所述罗氏线圈、所述测量电容串联在所述脉冲电源和所述柔性等离子体源之间，所述差分探头与所述测量电容并联。
优选地，所述光学特性分析部采用光谱仪和发光图像采集装置，所述光谱仪的光纤探头固定于柔性等离子体源的正前方且距放电区域1cm，所述光纤探头与计算机电性连接，所述计算机用于存储所述柔性等离子体源的光谱数据，所述计算机包括电磁屏蔽装置；
所述发光图像采集装置设置在所述等离子体源的正面，且与所述柔性等离子体源之间设置有图像采集距离。
优选地，所述温度特性分析部包括红外热成像仪，所述红外热成像仪设置于所述柔性等离子体源的正面，且与所述柔性等离子体源之间设置有温度采集距离。
优选地，所述发光图像采集装置采用数码相机。
优选地，所述示波器采用数字示波器。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的柔性等离子体源特性分析系统，利用柔性等离子体源放电子系统和放电参数采集检测子系统，产生多种等离子体，能够充分准确地对在不同激励源下等离子体的放电特性、光学特性、光谱特性以及温度特性，获得柔性等离子体源的放电功率、传输电荷、能量利用效率、放电产生的主要粒子及反应器表面温度等参数，以及随外加电压以及放电频率等电源参数的演变规律，据此来优化放电参数，同时还能为电源研发提供数据基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的柔性等离子体源放电系统以及放电参数检测与采集系统；
图2为本发明实施例中小型微秒脉冲电源的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种柔性等离子体源特性分析系统，参照图1-2。柔性等离子体源特性分析系统包括柔性等离子体源放电子系统和放电参数采集检测子系统。
柔性等离子体源放电子系统包括脉冲电源和柔性等离子体源，脉冲电源采用微妙脉冲电源或微妙/纳秒脉冲电源，其中，本实施例中脉冲电源为高压微秒脉冲电源，如图2所示，该高压微秒脉冲电源包括供电电源、第一升压模块、第二升压模块、IGBT、变压器和脉冲发生器，供电电源采用储能锂电池，电源输出电压为3.7V，一方面，供电电源经过第一升压模块，将电压升至5V至12V为IGBT与脉冲发生器供电，另一方面，供电电源经过第一升压模块，将电压升至5V至12V后再经过第二升压模块至匝数比为50:2500的变压器，最终得到频率为1kHz，电压可调的脉冲电源。用小型储能锂电池代替220V交流电压作为电路的输入电压源。锂电池能够反复充电使用且体积小巧、方便携带，作为电源电路整体的输入，比直接使用220V市电更加方便和灵活。其中，本实施例中的微秒脉冲电源的输出频率1kHz(±0.1)，电压幅值0～12kV，上升/下降沿均为7.5μs，脉宽设置为6.5μs。
柔性等离子体源包括高压电极、地电极和柔性绝缘介质，高压电极和地电极交错排列在柔性绝缘介质中。本实施例中，高压电极和地电极均采用金属铜作为加工材料，具体为高压电极、地电极选用厚度为35μm，宽度均为0.2mm的黄铜，高、地电极交叉排列，形成一个间隙为0.4mm排布较为密集的梳状电极结构。柔性绝缘介质采用聚酰亚胺(PEI)。进一步优化方案，为了将反应器稳固地与激励电源相连，产生大面积均匀等离子体，电极两端各有一个直径为0.5mm的高压线和低压线接口。为保证柔性等离子体源运行的稳定性和人体接触时的电气安全性，外部绝缘介质可以有效覆盖电极整体，使电极和阻挡介质(柔性绝缘介质)间实现无空隙接触。
放电参数采集检测子系统包括电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部，电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部分别与柔性等离子体源放电子系统连接。
其中，电气特性分析部包括示波器、高压探头、差分探头、罗氏线圈和测量电容，示波器分别与高压探头、差分探头、罗氏线圈电性连接，罗氏线圈、测量电容串联在微秒脉冲电源和柔性等离子体源之间，差分探头并联在测量电容两端。本实施例中，示波器采用数字示波器。
光学特性分析部包括光谱仪和发光图像采集装置，本实施例中，光谱仪取用OceanOptics HR4000CG光谱仪，其光学分辨率为0.75nm，波长检测范围在200～1100nm，测量时，光谱仪的光纤探头固定于柔性等离子体源的正前方且距等离子体源形成的放电区域1cm，并通过线路与计算机相连接用以存储并分析柔性等离子体源的光谱数据，为了降低放电时的电磁干扰，计算机用正方体铁箱加以屏蔽。发光图像采集装置采用Canon EOS6D数码相机，Canon EOS6D数码相机放置在柔性等离子体源的电极正面，数码相机镜头距等离子体源形成的放电区域15cm，镜头型号EF100/28LMIS，相机参数设置：光圈值4.0，曝光时间1/4s，感光度ISO25600。
温度特性分析部包括红外热成像仪，本实施例中，红外热成像仪选用Fotric223s，固定于柔性电极装置的正面，仪器探头距放电区域7cm用于采集放电时电极表面温度，温度检测范围0-350℃，测量精度为±0.1℃。
本实施例中的放电参数检测与采集系统通过收集分析柔性等离子体源放电系统的数据进行反馈，调整放电参数保证人体接触安全性。
利用本实施例的柔性等离子体源特性分析系统对柔性等离子体源进行电气特性、光学特性、热学特性分析，测定的电压、电流能够清楚地评估放电等离子体装置在不同条件运行参数下的放电性能，以及确保在相应操作条件下该放电等离子体产生的电流及电压处于人体接触安全范围内。
采用测量电容、比较发射光谱强度可以具象地表示放电过程中活性粒子的浓度和种类，由光谱图可以看出随着电压的升高，活性粒子浓度不断上升。能够清楚地表明不同激励源在不同外加电压和频率情况下产生不同强度的发射光谱。发射光谱强度和放电功率是等离子体在生物医学领域应用的重要参量，其表征了放电过程中产生的活性离子浓度和反应强度，研究不同激励源以及不同外加电压和频率情况下传输电荷量及发射光谱强度具有重要意义。
表面温度测量保证了人体接触的舒适性和安全性。
分析对象包括四种柔性等离子体源：类型一与类型二的电极条数均为14条，而类型一单根电极长度为64mm，类型二单根电极长度仅为43.25mm；类型二和类型三单根电极长度均为43.25mm，但类型三的电极条数为66条；类型三等比例缩小0.5为类型四，分别以类型一、类型二，类型二、类型三，类型三、类型四为三组，探究单个电极条长度、电极宽度、电极面积对放电的影响。
在进行电气特性分析时，分别采用微秒脉冲电源激励和纳秒脉冲电源激励。
通过分别对比纳秒和微秒脉冲激励下柔性等离子体源放电的电压电流波形、瞬时功率计算、光谱图测量以及温度进行分析：
(1)由于柔性电极边缘存在极性效应，所以柔性等离子体源的放电从端部开始发生；电源端部为弧状，大大降低了端部的电场强度，使得电介质不至于轻易击穿。
(2)在单脉冲周期内，柔性等离子体源在脉冲上升沿和下降沿各发生一次放电，且上升沿和下降沿的最大电流差别不大，这可能是由于在上升沿放电结束后，柔性等离子体源电极上的电荷没有及时消散和柔性等离子体源电导损耗较小，没有损失太多能量导致的。
(3)瞬时总功率Pt、气隙放电总功率Pg、介质层放电总功率Pd均随着外施电压的升高而升高。电极条长度、电极条数量以及柔性电极面积均对放电功率有一定影响，具体表现为：在外施电源电压、电极宽度、电极条数一定时，电极条越长，瞬时功率越大；在电极宽度、电极条长度一定时，电极条数量阅读，击穿电压越高，瞬时功率更大。
(4)在保证外施电压幅值和频率相同的情况下，四种类型反应器的功率都在25％到35％之间；在电压幅值为4kV、频率为1kHz时，类型一的放电效率为31.64％，类型二的放电效率为28.07％；在电压幅值为5kV、频率为1kHz时，类型三的放电效率为33.63％，类型四的放电效率为33.96％。
(5)柔性等离子体源的放电电荷量同样随着外施电源电压、频率的提高而提高；在外施电源电压相同的情况下，传输电荷量类型三>类型一>类型二>类型四；在电源电压幅值为4kV、频率为1kHz时，类型一最大传输电荷量为263nC,类型二的最大传输电荷量为238nC；在电源电压幅值为5kV、频率为1kHz时，类型三的最大传输电荷量为1110.6nC，类型四的最大传输电荷量为211.6nC。
(6)柔性等离子体源发射光谱中可以明显观察到由N2(C3Π_u)和N2(B3Π_g)跃迁产生的N2的第二正带系谱线，由于其它分子跃迁产生的活性粒子浓度较低，发射光谱难以测得；由光谱图可以发现粒子浓度随着电压和频率的增加而增加。
(7)在室温为26.3℃的情况下，通过观测并记录180s小型微秒脉冲电源激励下柔性等离子体源表面的温度，四种反应器的表面温度在前10s内迅速上升，10s到90秒缓慢上升，90s以后趋于稳定，且最高温度不超过57℃。
本发明通过示波器、差分探头、高压探头、电流线圈的组合能够将放电强弱转化成具体数字信息表征，以准确高效地分析不同激励源下柔性CDBD的放电特性、光学特性、光谱特性以及温度特性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：包括柔性等离子体源放电子系统和放电参数采集检测子系统，
所述柔性等离子体源放电子系统包括脉冲电源和柔性等离子体源，所述脉冲电源和所述柔性等离子体源电性连接，
所述放电参数采集检测子系统包括电气特性分析部、光学特性分析部和温度特性分析部，所述电气特性分析部、所述光学特性分析部和所述温度特性分析部分别与所述柔性等离子体源放电子系统连接。
2.根据权利要求1所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述脉冲电源采用微秒脉冲电源或微秒/纳秒脉冲电源。
3.根据权利要求1所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述脉冲电源的微秒输出频率0.9kHz～1.1kHz，电压幅值0～12kV，上升/下降沿均为7.5μs，脉宽设置为6.5μs。
4.根据权利要求1所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述脉冲电源包括供电电源、第一升压模块、第二升压模块、IGBT、变压器和脉冲发生器，所述供电电源通过所述第一升压模块分别与所述第二升压模块和所述IGBT连接，所述第二升压模块与所述变压器串联，所述IGBT与所述脉冲发生器串联，其中，所述供电电源采用储能锂电池，所述变压器的匝数比为50:2500。
5.根据权利要求1所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述柔性等离子体源包括高压电极、地电极和柔性绝缘介质，所述高压电极和所述地电极交错排列在所述柔性绝缘介质中。
6.根据权利要求2所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述电气特性分析部包括示波器、高压探头、差分探头、罗氏线圈和测量电容，所述示波器分别与所述高压探头、所述差分探头、所述罗氏线圈连接，所述罗氏线圈、所述测量电容串联在所述脉冲电源和所述柔性等离子体源之间，所述差分探头与所述测量电容并联。
7.根据权利要求1或6所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述光学特性分析部采用光谱仪和发光图像采集装置，所述光谱仪的光纤探头固定于柔性等离子体源的正前方且距放电区域1cm，所述光纤探头与计算机电性连接，所述计算机用于存储所述柔性等离子体源的光谱数据，所述计算机包括电磁屏蔽装置；
所述发光图像采集装置设置在所述等离子体源的正面，且与所述柔性等离子体源之间设置有图像采集距离。
8.根据权利要求1所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述温度特性分析部包括红外热成像仪，所述红外热成像仪设置于所述柔性等离子体源的正面，且与所述柔性等离子体源之间设置有温度采集距离。
9.根据权利要求7所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述发光图像采集装置采用数码相机。
10.根据权利要求6所述的柔性等离子体源特性分析系统，其特征在于：所述示波器采用数字示波器。
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