大气压等离子体射流的OH和O特性及调控

1.OH和O的时空分布

图6.4.8给出了典型的大气压等离子体射流OH浓度时空分布的诊断装置示意图。激光脉冲的重复频率为10 Hz。等离子体射流由脉冲直流高压电源驱动，幅值8kV，频率1kHz。等离子体中待检测的OH被激光束激发后，发出荧光信号。荧光信号由装配有308nm的滤波片和紫外镜头的ICCD高速相机进行探测。由于激光器的频率是固定的10 Hz而射流的驱动频率为1kHz，可以使用信号发生器的Burst功能，将DG645输出的10Hz脉冲信号同步倍频至1kHz的脉冲信号，从而精准控制ICCD相机、脉冲电源和激光器之间的时序。

图6.4.8　脉冲直流高压驱动的等离子体射流OH自由基LIF诊断系统示意图[55]

使用LIF成像发现，在一个电压脉冲周期，OH LIF信号上升了两次，一次对应于电压上升沿的主放电，另一次对应于电压下降沿的二次放电，如图6.4.9所示。根据该图还可以看出OH LIF信号强度在两个边缘比在中间强，这表明OH具有环形分布。为了进一步理解OH环形分布的产生机理，使工作气体先通过自来水，然后进入射流装置来提高工作气体的湿度，结果发现OH LIF信号的环形结构消失，变得均匀。关于该环形结构的产生机理将在6.5节作进一步分析。

在无放电的间隔，OH LIF信号首先下降，然后在大约120μs时刻开始再次上升，并增加了一倍以上，如图6.4.10所示。通过改变气体流速和电极的位置，发现在无放电的间隔时间内OH信号的增加是由于气体的流动，该气体将放电过程中产生的OH吹到被检测区域导致的。

图6.4.9　N-APPJ的电压、电流波形，以及从30ns到1280ns的OH LIF强度图像[55]

（a）中Va为施加电压，Idis为放电电流；（b）中标记的时间和实验条件与图（a）一致。脉冲频率1kHz，脉宽800ns，电源电压8kV，工作气体为He/H2O（体积分数6×10-5），总气体流速为4L/min，测量位置距喷嘴2mm

上面给出了放电稳定后任意一个脉冲周期内OH随时间的变化情况。从图6.4.10可以看出，在0.5ms时刻OH的LIF强度大约是其峰值的70%。那么当频率很高时，OH的LIF强度应该有累加效应。因此下面测量从第一次放电到OH的LIF强度达到饱和时的情况。所得结果如图6.4.11所示。图中给出了OH LIF信号强度大小随脉冲个数增加的变化关系，可以看到在第一个脉冲前，无OH LIF信号的存在。因为原来没有放电，背景气体中OH自由基浓度是可忽略的。经过“第一个脉冲”后，OH LIF强度开始增加，而且在1000μs（第9个脉冲）前，OHLIF信号强度几乎线性增加，然后迅速达到饱和。这里OH不再随时间变化是因为此时脉冲频率高达8kHz，而OH的衰减时间远长于其脉冲周期0.125ms。所以从宏观上看OH浓度保持稳定。

图6.4.10　（a）施加的脉冲电压波形和脉冲间隔OH LIF信号强度随时间的变化，以及（b）OH LIF信号在1.5～900μs脉冲间隔的变化[55]

（b）中脉冲下降沿后，该时间段内电压均为0，且无等离子体产生，图中标注的时间均是参考（a）中时间。两图的实验条件与图6.4.9一致

图6.4.11　等离子体射流中OH自由基空间分布随脉冲个数的时间演变[56]

六边形表示的是不同时刻实验测得的OH LIF信号强度，第一个脉冲为0时刻。脉冲频率8kHz，脉宽800ns，电源电压5kV，工作气体为He/H2O（体积分数6×10-5），总气体流速为4L/min，测量位置距喷嘴2mm

针对OH的环形结构现象，观测初始若干个脉冲产生的OH分布。结果发现对于前几个高压脉冲，OH呈环形分布。随着更多的高压脉冲的施加，气流中心部分的OH浓度逐渐增加，最终呈现出了圆盘结构分布，如图6.4.12所示。

图6.4.12　射流前端放置接地电极时前三个脉冲产生的时间分辨OH强度[57]

脉冲频率8kHz，脉宽1μs，电源电压8kV，工作气体为He/H2O（体积分数4×10-5），保护气体为空气/H2O（体积分数2×10-2），总气体流速为4L/min

进一步的研究表明，环形分布的OH是由管外的等离子体子弹产生的，随着时间的演化，在管内产生的OH成为了等离子体射流中的重要OH来源，通过气流输送到了射流的下游。由于管内的OH是以实心圆盘的结构分布，最终导致了环形结构的消失。也就是说等离子射流中的总OH自由基由两部分构成，如图6.4.13所示，一部分是由管外的等离子体射流形成的，呈环形结构；另一部分由具有实心圆盘结构的管内部的等离子体产生，该等离子体可随气流输送到下游，并导致等离子体中OH的环形结构消失。

图6.4.13　N-APPJ的OH自由基产生机理示意图[57]

模拟和实验结果如图6.4.14所示，结果表明无论是否使用了接地电极，等离子体子弹均以环形结构传播，电子密度也呈现环形分布，这就导致射流OH的环形分布。

图6.4.14　等离子体子弹的二维电子密度和ICCD图像[57]

（a）无地电极；（b）有地电极。模拟采用的脉冲上升沿时间为50ns，电源电压2kV，其余实验条件与图6.4.12一致

进一步的研究发现，对射流外围施加保护气体也会对OH的环形结构造成影响，结果如图6.4.15所示。从该图可以看出，通过增加保护气体中水的浓度，施加有接地电极的射流中的OH浓度会升高，但未施加接地电极的射流中的OH浓度变化不大。这是因为施加接地电极的射流具有更高的电子密度，并且具有更明显的环形子弹结构，更有利于水分解反应的发生。

图6.4.15　射流中OH-LIF强度与保护气体湿度的关系，其余实验条件与图6.4.12一致[57]

2.OH和O的调控

大气压等离子体射流中活性粒子的调控对优化射流装置、增强射流的生物医学效应至关重要。目前常用的调控方法包括装置结构调控、电气参数调控和工作气体调控等。

图6.4.16给出了5种常见的N-APPJ装置，当它们均采用脉冲直流高压电源驱动时，在相同电参数和工作气体参数下，它们的OH和O的LIF强度分布如图6.4.17所示。可以看出，装置2产生的OH和O浓度最高，而装置3产生的OH和O浓度最低。由此可以看出增加射流地电极有利于产生更高浓度的OH和O。这里应该强调的是，当等离子体射流用于处理对象时，被处理对象往往相当于地电极，此时的OH和O的浓度分布可能会发生改变。

图6.4.16　5种常见的N-APPJ装置[58]

图6.4.18给出了距离射流喷嘴不同距离处OH和O的浓度分布。从图中可以看出，活性粒子的浓度并不是越接近喷嘴越大，而是在离喷嘴一定距离处达到峰值。因此在射流的实际应用中，需要控制好被处理物与喷嘴间的距离才可获得最好的处理效果。

图6.4.17　5种等离子体射流装置的OH-LIF和O-TALIF强度分布[58](www.xing528.com)

（a）～（e）：OH-LIF；（f）～（j）：O-TALIF。所有装置均由同一个脉冲直流电源驱动，脉冲频率8kHz，脉宽1μs，电源电压5kV，总气体流速为1L/min，测量OH-LIF时工作气体为He/H2O（体积分数4×10-5），测量O-TALIF时工作气体为He/O2（0.75%）

图6.4.18　距离喷嘴不同距离处OH和O的浓度分布，其余实验条件与图6.4.17一致[58]

电参数对等离子体射流产生的活性粒子浓度影响主要是由电压幅值和脉冲频率引起的。如图6.4.19所示，活性粒子浓度随着施加电压的增大而线性增加，随着频率的增加一开始迅速增大，随后增势趋缓。因此在射流的实际应用中，尽可能增大施加电压和频率是提高活性粒子浓度的有效措施。

图6.4.19　施加电压和频率对OH和O浓度的影响，其余实验条件与图6.4.17一致[58]

等离子体射流OH自由基的主要来源为电子或亚稳态粒子碰撞分解水分子，即水分子是OH自由基的提供者。而O原子的主要提供者为氧气分子。因此在氦气等离子体射流的工作气体中掺入适当的水和氧气能有效增强活性粒子浓度。所得结果如图6.4.20所示，当工作气体中水含量在5×10-5到1×10-4间时产生的OH浓度最高，氧气浓度在0.5%到1%之间时产生的O原子浓度最高。

虽然上述5种装置中装置2产生的活性粒子浓度最高，但该装置的高压电极是直接与射流接触的，如果被处理对象离喷嘴较近时可能导致高压电极与被处理对象之间直接放电，在实际应用中应该注意这种变化带来的风险。

根据前面活性粒子的时空分析，管内产生的活性粒子能够对管外射流区的活性粒子浓度产生影响，因此为了在管外获得更高浓度的活性粒子，可以通过增强管内放电来实现。这可以对装置5进行适当的改进来实现，如图6.4.21所示，即在石英管外围嵌上多组环电极，使其交替分布，以增加管内放电区域。

图6.4.20　5种N-APPJ的OH浓度与工作气体中H2O含量的关系，以及O浓
度与工作气体中O2浓度的关系，其余实验条件与图6.4.17一致[58]

图6.4.21　多组环形电极N-APPJ装置[59]

结果发现，相比单环结构，多环结构可以显著提高OH的浓度，如图6.4.22所示。其中12环结构产生的OH浓度是单环结构的3到5倍。与此同时，多环结构并没有增强等离子体射流的发光强度，这意味着喷出管口的射流中的OH主要是由管内产生的，多环结构增强管内放电，导致OH浓度的升高。

3.被处理材料对OH和O的影响

在具体应用中，等离子体射流需要与被处理物体表面接触，其产生的活性成分才可以与待处理物体发生反应。而被处理物体表面的性质会对射流的流体状态、气体组分和电场强度等造成影响，从而使其产生的活性粒子浓度发生改变。

图6.4.22　由不同数量的环形电极产生的等离子体射流中的二维OH-LIF图像[59]

脉冲频率8kHz，脉宽1μs，电源电压6kV，总气体流速为1L/min，工作气体为He

下面介绍脉冲直流电压驱动的APPJ处理三种材料（玻璃、蒸馏水和金属）时，这些材料对等离子体的影响。首先使用快速成像技术研究并比较了等离子体的推进动态过程，如图6.4.23所示。当等离子体射流到达玻璃表面时，放电会在玻璃表面往外扩大，并在电压脉冲的上升沿和下降沿检测到两次放电，如图6.4.24所示。但是，在处理水和金属基板时，在脉冲持续时间内，除了上升沿和下降沿的那两次放电外，还出现了第三次放电，分别为542ns和506ns（见图6.4.24）时刻。另外，玻璃表面的电离波比水表面的电离波在径向方向上传播得更远。在金属表面，由于高导电性，等离子体与金属接触后没有向外围传播。

处理不同材料时，OH和O的浓度通过LIF成像进行检测。结果如图6.4.25所示，LIF信号的时空分布随被处理物而显著变化。处理水和金属基板时获得的OH-LIF和O-TALIF信号强度显著高于处理玻璃基板时的结果。

图6.4.23　等离子体射流分别作用于玻璃基板、蒸馏水、金属基板时，以固定的曝光时间3ns和叠加100张的配置拍摄放电过程的高速照片[60]

彩色条将每个像素的强度量化为实验中观察到的最高强度的百分比，图中标注时间参考图6.4.24。电压幅值为6kV，重复频率为8kHz，脉冲持续时间为1μs，流速为1L/min，工作气体为氦气

图6.4.24　射流处理不同基底条件下的电压和放电电流波形，实验条件与图6.4.23一致[60]

图6.4.25　射流处理不同基底的荧光强度图像[60]

（a）OH-LIF；（b）O-TALIF。实验条件与图6.4.23一致

在等离子体射流的生物医学应用中，对皮肤的处理十分常见，皮肤的表面特性也会对射流产生的活性粒子造成一定程度的影响，皮肤表面湿度便是影响因素之一。如图6.4.26（a）和（b）所示，当射流处理不同湿度的皮肤表面时，射流的中上游部分OH强度变化不大，但紧靠皮肤的区域OH信号强度则随皮肤湿度的增大而增强。并且在射流处理不同湿度皮肤时，射流的放电图像变化不大，均呈现如图6.4.26（c）所示的特征。这说明皮肤表面的水分子也会参与射流中活性粒子的产生，并对OH的产生起到积极作用。

但O原子浓度则是随着皮肤湿度的增大而减小，所得结果如图6.4.27所示。这是由于射流中水分含量过高时，O原子与水之间的反应造成了O原子的损耗，即O+H2O→2OH。结合OH的结果可以看出，在处理真实皮肤时，很难实现使OH浓度和O浓度同时达到最大值，因此需要结合实际应用需求，调整皮肤表面的状况。

图6.4.26　不同皮肤湿度条件下射流在喷嘴和皮肤表面之间产生的二维OH-LIF图像[61]

（a）被处理皮肤湿度为20%的OH-LIF图像；（b）被处理皮肤湿度为80%的OH-LIF图像；（c）射流的放电图像。脉冲频率8kHz，脉宽1μs，电源电压8kV，总气体流速为0.5L/min，工作气体为He/H2O（体积分数5×10-5）

图6.4.27　不同皮肤湿度条件下皮肤表面上方200～500μm的O-TALIF图像[61]

（a）～（d）分别为被处理皮肤湿度为20%、40%、60%和80%的情况。脉冲频率8kHz，脉宽1μs，电源电压8kV，总气体流速为0.5L/min，工作气体为氦气