基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中oh自由基和o原子的时空分布-吴淑群.pdf

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1、2017年4月 电工技术学报 V0132 No8第32卷第8期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr 2017基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和。原子的时空分布吴淑群1，2 董 熙1 裴学凯2 岳远富2 卢新培2(1南京航空航天大学自动化学院 南京 2100162强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉430074)摘要 由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和。原子进行定量检测，本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置，基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对O

2、H自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现，OH自由基和O原子的寿命时间分别为lms和3ms，远大于脉冲放电持续时间；采用拟合衰减曲线法，得到OH自由基的绝对密度为10121013cm_3；发现离喷嘴口越远，OH自由基和。原子密度越低。然而，即使距离喷嘴口数cm的地方，仍然存在大量的OH自由基和O原子；OH自由基和O原子的密度随激励频率和脉冲电压幅值的增加而升高，随H：O含量和O：含量的升高而出现先增大后减小的趋势。其中，当氦气中H20含量为o012时，OH自由基密度达到最大值。当氦气中02含量为o5时，O原子密度达到最大值。本文研究为调控和优化低温等离子体射流中OH自由基和O原子密度提供重

3、要科学依据。关键词：大气压低温等离子体射流 激光诱导荧光 活性粒子 等离子体医学 OH自由基O原子 等离子体活性中图分类号：TM8354Laser Induced Fluorescence Diagnostics of the Temporal andSpatial Distribution 0f oH Radicals and O Atom ina LOW Temoerature Plasma Jet at Atmospheric PressureWu Shuqun 1-2 Dong Xil Pei Xuekai2 Yue Yuanfu2 Lu Xinpei2(1College of Aut

4、omation Engineering Nanji ing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016 China2State Key Laboratory of Advanced Electromagentic Engineering and TechnologyHuazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China)Abstract The method ofquantitative measurements of thetraditional o

5、ptical emission spectroscopy is not suitable for thedensity of OH radical and O atom in low temperature plasma jets atatmospheric pressureThus，this paper applied the single-photon laser induced fluorescence(LIF)andtwophoton absorption laser induced fluorescence(TALIF)The plasma jet with needlecylind

6、erelectrode structure was excited by nanosecond pulsed power supplyOH radical and O atom in theplasma jet have a lifetime of 1 ms and 3ms，respectivelyThey are much longer than the duration timeof pulse discharge(By fitting the decay curve of fluorescence intensity of OH radical VS time，theabsolute d

7、ensity of OH radical is estimated to be 1012101 3cmThe densities of both activespecies decrease monotonically with the increase of the axial distance along the jetHowever，itS国家自然科学基金(51077063、51607090)，江苏省自然科学基金(BK20160796)和校人才引进基金(90YAHl5059)资助项目。收稿日期2016-0529 改稿日期2016-1012万方数据第32卷第8期 吴淑群等基于激光诱导荧光法

8、诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布 83surprising to observe that there are still a large amount of active species at even several cm far awayfrom the jet nozzleThe increased excitation frequency and pulse voltage result in the increaseddensity of active speciesMoreover，with the increase of the concentratio

9、n of H20 impurities in heliumgasOH radical density decreases after reaching a maximum value at 27x 1 013cmfor H20concentration of 1 20 ppmThe behavior of O atom density shows the same tendency with the increaseof 02 percentage in heliumThe inflection point corresponding to the peak density of O atom

10、 occurs atthe 02 percentage of 05This study provides an important scientific basis for regulation andoptimization of the densities of OH radicals and O atom in low temperature plasma j etsKeywords：Atmosphericpressure lowtemperature plasma jets，laser induced fluorescence，activespecies，plasma medicine

11、，OH radicals，O atom，plasma activity0 引言近十年来，大气压低温等离子体射流因在多个领域(如材料表面改性1-4、纳米技术5】和生物医学6。91)具有广阔的应用前景，引起了人们的极大兴趣。它通常由频率为kHz量级的高压交流或脉冲电源激励，先在介质管内产生放电等离子体，然后沿着工作气体通道喷射至开放环境中。它的关键特征是将等离子体产生在开放空间中，而不是限制在狭窄的放电间隙内。现有研究表明等离子体射流最长可达数十厘米1 o，111。该特征使得等离子体射流可以直接处理复杂三维物体，且对被处理物品形状没有严格要求，极大地拓宽了被处理对象范围。其次，大气压低温等离子体射

12、流还富含多种高密度活性粒子，如OH自由基、0原子、臭氧和NO分子等112。理论和实验表明这些活性粒子在诸多生物医学应用(如癌症治疗、杀菌灭毒、伤口愈合和皮肤处理等)中起到十分关键的作用，如OH自由基对生物膜上的脂类脂肪酸侧链具有极强的渗透和破坏性、0原子氧化控制大分子进出细胞的蛋白质分子【1 31、NO分子浓度的高低影响细胞生长和凋亡【141。另外，大气压低温等离子体射流的气体温度接近或等于常温，放电十分稳定，甚至人体可以与之安全接触。因此，以上这些特征使得大气压低温等离子体射流特别适合于生物医学应用，从而大力推动了一门新兴交叉学科等离子体医学的产生和发展15,161。活性粒子是大气压低温等离

13、子体射流与生物体相互作用的关键因子，也是优化放电装置的重要依据。在早期研究中，通常采用辐射光谱法测量等离子体中活性粒子的种类和相对强度，并据此推断活性粒子浓度的高低17-191。然而，大多数活性粒子是处于基态或亚稳态，无法被辐射光谱法直接诊断出来，使得多数研究停留在定性分析阶段。最近国际上开始采用先进的诊断技术对大气压低温等离子体射流中活性粒子展开定量研究，如激光诱导荧光法【20之31、腔衰荡法241和吸收光谱法【251等。例如，Reuter等采用双光子激光诱导荧光法测量射频激励的等离子体射流中0原子密度，发现喷嘴口处0原子浓度高达1016cm。3201。Jiang等采用同样的方法却发现纳秒脉

14、冲激励的等离子体射流中0原子浓度为1013cm-3量级221。引起这种显著差异的原因可能是两者的放电装置和激励电源存在较大差别。Yonemori等采用单光子激光诱导荧光法测量等离子体射流中OH自由基的空间分布，发现离喷嘴口越远，OH自由基密度越低【231。Srivastava等利用光腔衰荡法也获得了类似的结果【2 41。国内大连理工大学、华中科技大学、重庆大学相继采用以上方法，对等离子体射流中活性粒子进行诊断，取得了重要进展26。291。然而，以上研究重点关注的是一种活性粒子的空间分布，而对一种或多种活性粒子的时间演变则还有所欠缺。因此，本文基于激光诱导荧光方法，采用多通道延时控制器，精确控制

15、脉冲放电、激光束和ICCD高速相机之间的时序，诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空演变，获得了OH自由基和0原子的寿命时间、浓度和空问分布，并且初步探索了脉冲电源参数与工作气体成分对活性粒子的影响，为理解这两种活性粒子的产生、衰减机理和进一步优化放电参数提供了重要参考依据。1 实验装置图1a为采用激光诱导荧光法诊断等离子体射流中活性粒子的装置示意图。整个装置系统可分成两个主要部分：大气压低温等离子体射流源和激光万方数据84 电工技术学报 2017年4月诱导荧光诊断系统。等离子体射流的产生装置类似于文献301，简单描述如下：高压电极由铜金属丝制成，直径约为2mm，被插入单端封口、

16、壁厚为lmm、内径为2mm的玻璃管内，相当于高压电极表面包裹了一层玻璃介质。该电极连同单端封口的玻璃管整体被插入针筒形状的玻璃管内。针筒状的玻璃管用于引导工作气体流向，其喷嘴的内径为25ram。高压电极尖端距离喷嘴口约12ram。工作气体为He、HeH20或He02混合气体。气体流量由气体流量控制器(MKS M100B)进行控制。如果图注中未做特殊说明的，本文的总气体流量被固定为2Lmin。等离子体射流的激励电源为频率为kHz量级的纳秒脉冲电源(PVX一4110)。当在高压电极上施加脉冲电压，并在针筒状玻璃管内通入工作气体后，等离子体射流起始于高压电极附近，沿着工作气体通道喷射至开放空气环境中

17、，其长度可达数cm。需要强调的是，高压电极表面覆盖了一层玻璃(a)实验装置(b)OH自由基荧光信号与等离子体射流照片图1 实验装置和OH自由基荧光信号与等离子体射流照片Fig1 Schematic of the experimental device and the photoof OH fluorescence signal and plasma jet介质，避免了辉光一电弧(或火花)放电模式转变，使得人体可以安全接触等离子体射流，特别适合于生物医学应用。激光诱导荧光系统主要由激光器和ICCD高速相机构成。本系统中含有两个激光器：YAG：Nd激光器(Continuum，Sureltte II

18、I10)和染料激光器(Radiant Dyes，NarrowScan)。YAG：Nd激光器可产生固定波长为355nm、532nm和1 064nm的脉冲激光，用于激发染料。根据输入激光和染料种类，染料激光器能够宽范围调谐输出激光波长。输出染料激光在双倍频晶体的作用下，最终形成波长减半的激光束。激光束圆斑直径约为05mm，能量调节范围为03 000J，激光脉冲持续时间的半高宽为57ns，激光脉冲重复频率为10Hz。等离子体射流中待检测的分子或原子受到该激光束激发后，发出荧光信号。荧光信号持续时间小于100ns，可由ICCD高速相机(PIMAX 2，曝光时间低至2ns，抖动时问小于lns)进行探测。

19、OH自由基荧光信号与等离子体射流照片如图1b所示，根据ICCD照片的像素高低可判断荧光信号的强弱，发现OH自由基的荧光信号是整体较为均匀的，而不是文献211报道的两端强、中心弱。因此，本文将白色虚线框内的像素平均值表示荧光信号的相对强度。需要指出的是，每个数据点均测量了三次，测量结果取平均值。在探测荧光信号过程中，利用安捷伦信号发生器(Agilent 33521A)和多通道延时控制器(StanfordDG645，典型抖动时间为12ps)来精确控制ICCD高速相机、脉冲电源和激光器之间的时序。针对OH自由基和O原子，激光诱导荧光系统的参数设置见表1。表1 本实验中激光诱导荧光系统的参数设置Tab

20、1 Parameter setting of laser induced fluorescencesystem in this experimentOH自由基 532 Rhodamine 6G 282646 150 100O原子 355 Coumarin 225626 300 100本文采用高压探头(Tektronix P6015)和电流探头(Pearson 2877)分别测量脉冲电压和放电电流。因为电流探头的中心孔径为6Imm，远大于等离子体射流的直径，所以等离子体射流能够穿过电流探头的中心孔。电流探头距离喷嘴口约2mm。所有电万方数据第32卷第8期 吴淑群等基于激光诱导荧光法诊断大气压低温

21、等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布 85信号由数字示波器(Tektronix DP03034)进行记录。2激光诱导荧光法激光诱导荧光法是利用一束特定波长的激光主动诊断等离子体中被测粒子的浓度。原理如图2所示，处于基态1的待检测粒子(如原子、分子或离子)吸收激光的辐射光子后，被激发跃迁至高能级3，然后产生的激发态粒子自发跃迁至低能级2，同时伴随辐射出荧光光子。当激光能量处于线性范围时，被测粒子的浓度与荧光信号强弱成正比例。因此，通过探测荧光信号的时空分布即可获得被测粒子的时空分布。由于激光束的直径为gm量级、脉冲持续时间为as量级，所以激光诱导荧光法具有非常高的时空分辨率，特别适于诊断小

22、尺度、纳秒脉冲激励的等离子体中活性粒子的时空演变3。图3为本文的激光能量与荧光信号的关系曲线。随着激光能量从0上升至1 200pJ，OH自由基的荧光相对强度出现先线性增加、后逐渐饱和的趋势。其中，饱和点处的激光能量为3309J。因此，考虑到激光能量的饱和效应，本文在诊断OH自由基时选择激光能量为1509J。类似地，诊断O原子时选择激光能量为300肛J。被测量粒子图2 激光诱导荧光法原理图Fig2 Principle diagram of laser induced fluorescence三3型茸母E*芸粼图3 OH自由基荧光相对强度与激光能量关系曲线Fig3 Relationship cur

23、ves between laser energy andOH fluorescence relative intensity根据被测粒子跃迁至高能级所需的光子个数，激光诱导荧光法可简单分为单光子激光诱导荧光法和双光子激光诱导荧光法。一方面，本文选取波长为282646nm的单光子对OH进行激发x2n(v=0)一彳2+(v=1)，高能级的激发态OH分子对应的自发跃迁过程为彳2+(1，=1)一2ri(v”=0)(v、v、v”为OH分子的不同振动量子数)，同时辐射出波长约为309nm的荧光光子。另一方面，本文选取双光子对O原子基态进行激发，而不是单光子激发。这是因为O原子跃迁至高能级所需的单个光子能量

24、高，处于真空紫外范围(200nm)，极易被空气分子吸收，导致激光强度在激光到达等离子体时已经被极大地削弱了。因此，通常采用双光子激发，原理如下：O原子首先吸收一个光子，被激发至虚拟能级，在大量光子照射下处于虚拟能级的0原子再次吸收第二个光子，继续跃迁至高能级，最后高能级的0原子通过白发跃迁辐射出荧光光子。本文选取波长为225626nm的激光光子对O原子进行激发，O原子基态被双光子激发至高能态O(3p3P2)，然后自发跃迁至低能态O(3s3S)，同时发出波长为84487nm的荧光。为了获得被测粒子的绝对密度，需对荧光信号进行标定。常用的标定方法有瑞利散射法31和拟合衰减曲线法32,331。本文采

25、用拟合衰减曲线法标定OH自由基的绝对密度。原理如下：放电结束后，OH自由基密度noH的连续性方程可表示为dno了n_(t)：一k碚H O)一e一所H)+kcvnOH O) (1)OI式(1)等式右边的第一项代表OH自由基之间的碰撞反应，主要反应机制表示为OH+OH+MH202+MOH+OHH20+O总反应系数毛约为1x10-11cm3s。式(1)等式右边的第二项代表OH自由基与其他粒子(如0，H，02，03，NO等)进行化学反应，其反应系数表示为。文献32将这部分等效为OH自由基与一种主要粒子进行反应，且这种等效粒子的密度是呈指数衰减的，指数衰减系数为h，结果发现利用该等效方法计算的OH自由基

26、密度与瑞利散射标定的结果十分吻合。式(1)等式右边的第三项代表OH自由基受气流影响。为OH自由基受气流影响的损失速率。放电结束后，等离子体射流中OH自由基主要由气流驱动，气流速度v约为68ms。根据文献331，可采用线性近似OH自由基密度梯度差来表示气流万方数据86 电工技术学报 2017年4月影响。因此，式(1)既包含了OH自由基的化学反应损失，还考虑了气流影响。实验过程中，采用多通道延时控制器输出TTL触发信号，对激光信号、ICCD相机和脉冲电源进行同步触发和时序控制。为了达到放电稳定平衡状态，先维持放电脉冲个数约320个(频率为8kHz，对应时间为40ms)。放电结束后，采用激光诱导荧光

27、系统诊断不同时刻的OH自由基荧光信号，可获得OH自由基绝对密度随时间的衰减曲线，如图4所示。通过变化初始时刻OH自由基的绝对密度，当拟合曲线效果最佳时，即可获得OH自由基的绝对密度。以此作为基准值，可标定其他情况下OH自南基的荧光信号。时|l=1Jm图4拟合衰减曲线标定OH自由基绝对密度Fig4 Fitting the decay curve to calibrate the absolutedensity of OH radical3 实验结果31 oH自由基3II OH自由基的时间分布放电结束后，采用拟合衰减曲线法标定OH自由基绝对密度，并获得OH自由基的寿命时间，如图5所示。图中0时刻表

28、示脉冲放电结束。脉冲电源参数如下：电压幅值8kV，脉宽800ns，频率8kHz。0 0 5 1 O 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5时间msa)z=2mm处，OH自由基密度随时间衰减曲线时间msb)z=10ram处，OH自由基密度随时间衰减曲线一80-1 40煺一0脚-40-80，量，呈剖稍：豳】丑_言25 50 75 lOO 125 150时间gs外加脉冲电压、放电电流和OH自由基随时间变化0二0 0 2 0 4 ()6 ()8 】0 2时间gs(d)z=2mm，c图虚线框放大图40逛10脚l-40-80 J图5 放电结束后，离喷嘴口z=2mm处和z=10mm处的OH自由基绝对密度随时

29、间衰减曲线Fig5 After discharges，the decay curve of OH radicalabsolute density VS time at the distance of z=2mm andz=10mm away from the nozzle由图5a可见，在距离喷嘴口2mm处，OH自由基绝对密度在放电结束瞬间为11013cm一。经过25ms后，降低至11012cm。如图5b所示，在距离喷嘴口10ram处，放电结束瞬间的OH自由基绝对密度为21012cm，远低于2ram处的OH自由基密度。当时间为15ms左右，OH自由基密度衰减至6x10cm一。由此可见，OH自由基

30、的寿命时间可长达iuJ三莓鞯警JJ五o，11lllJ踮O864，)l邕脚，-O864，-一t-；5旦。I)趟稍墒忸皿H(v万方数据第32卷第8期 吴淑群等基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布 871ms(粒子寿命定义为粒子浓度衰减至lie倍)，远远大于脉冲放电持续时间(数百纳秒)。其次，通过对比2ram和10mm处的实验结果，发现离喷嘴口位置越远，OH自由基密度越低，但OH自由基的寿命时间相差不大。最后，本文采用拟合曲线法得到低温等离子体射流中OH自由基的绝对密度为10121013cm，与采用瑞利散射法获得的结果十分吻合26,31。此外，当OH自由基密度低

31、于1011cm-3时，由于荧光信号信噪比低，诊断结果存在较大误差。正常持续放电情况下，在一个脉冲电压周期内，观测OH自由基密度随时间变化，结果如图5c所示。发现OH自由基密度在电压周期内保持基本恒定，约为(071)101 3cm-3。为了清楚脉冲放电是否会引起OH自由基密度的剧烈变化，需同时比较单个电压脉冲内放电电流波形与OH自由基密度的时间分布。放电电流为全电流(有等离子体射流)减掉位移电流(无等离子体射流，关掉氦气且脉冲电压保持不变)。图5d中，放电电流脉冲峰值为37mA，电流脉冲持续时间约为400ns。发现在电流脉冲前后，OH自由基密度有少许增加，随后保持基本不变。由此可见，OH自由基密

32、度没有跟随放电电流进行纳秒快速变化，而是维持在一个恒定值。本质上，这是由于OH自由基的寿命时间远远大于电流脉冲持续时间。自脉冲放电起始，OH自由基在脉冲与脉冲之间不断累积。经过数毫秒后，OH自由基的产生和损失达到平衡状态，平衡(正常持续放电状态)时OH自由基密度已经远远大于单次脉冲放电产生的OH自由基密度，所以稳定平衡时单次脉冲放电对OH自由基密度的贡献不明显。文献34】二维数值模拟了多个脉冲放电情况下OH自由基的累积过程，发现达到产生与损失平衡状态时所需时间为数毫秒。312 OH自由基的空间分布通过调节激光与喷嘴之间的距离，可获得OH自由基密度的空间分布，如图6所示。图中，z=0为喷嘴位置，

33、脉冲电源参数同上文。从图6b中可以看出，离喷嘴口越远的位置，荧光信号强度越弱。对荧光信号进行标定后，可得到OH自由基密度沿z轴方向的分布，如图6c所示。发现z=10mm处的OH自由基密度比z=2mm处降低了约1个数量级。文献351指出氦气浓度是沿z轴方向逐渐降低的，对等离子体射流的射流长度、推进速度和特征物理参数有显著影响，即很有可能影响到OH自由基的产生过程。另外，由于环境空气扩散，在氦气通道等。广仁呈型氍=墨=E=(a)放电装置示意图 (b)离喷嘴口不同空间位置处的OH自由基荧光分布(c)OH自由基密度沿z轴燹化图6大气压低温等离子体射流中OH自由基绝对密度的空间分布Fig6 Spatia

34、l distribution of OH radical density inthe plasma jet里还存在少量的空气，也可能会影响OH自由基的衰减过程。为了进一步验证氦气浓度分布(或环境空气扩散)对OH自由基密度的影响，本文设计两个对比实验。首先，在喷嘴处设置半径约为1501am的金属丝，该金属丝通过阻值为2MQ的电阻接地，如图7b所示。这种接地方式能让等离子体射流传播停止在金属丝处，对等离子体射流的放电模式却没有明显影响，而且对气流流场的影响也可忽略不计。其次，在图7b的基础上，在喷嘴处外接可移除的介质管，以尽量排除外界空气扩散影响，如图7c所示。图7d为三种不同放电结构下OH自由基

35、密度沿z轴分布。(1)对比等离子体射流接地和不接地(对应图7a和图7b)的情形可知，接地后，在喷口外没有等离子体的地方仍然存在大量的OH自由基，且喷嘴口附近的OH自由基密度明显高于未接地的。但却发现接地后的OH自由基密度沿z轴方向衰减相对更快。解释如下：由于OH自由基的寿命长，即使万方数据88 电工技术学报 2017年4月在没有等离子体的地方，管内产生的OH自由基仍可由气流带出来。其次，接地增强了针筒内的外电场，可能促进了OH自由基的产生，使得喷嘴口处OH自由基密度明显高于未接地的。这两种情况下，气流流场保持基本不变，即氦气浓度的空间分布保持恒定。但由于接地情况下，喷嘴外没有放电等离子体产生O

36、H自由基，以弥补OH自由基通过化学反应造成的损失，使得OH自由基密度衰减相对较快。(2)对比喷嘴接介质管和不接介质管(对应图7b和图7c)，发现接介质管后OH自由基密度沿z轴方向衰减明显减缓，甚至在距喷嘴口65mm处还存在OH自由基。这说明扩散到氦气通道中的环境空气加快了OH自由基的损失过程。等离a)射流 (b)射流+接地匾商(c)射流+接地+介质管l【) 二) 30 40 50 h ，J二门11Illtd J三种放电结构卜，OH目由基密度沿等离子体射流轴I口J分稚图7三种放电装置结构示意图Fig7 Schematic of three discharge devices313 频率和电压幅值

37、影响因为等离子体射流中OH自由基的寿命时间与脉冲电压的周期相当，所以通过控制脉冲电源的激励频率有望调控OH自由基密度的高低，实验结果如图8a和图8b所示。实验中脉冲电压幅值为8kV，脉宽800ns。由图8a可见，距离喷嘴口2mm处，随着激励频率从2kHz增加至8kHz，OH自由基密度升高了24倍，且在单个脉冲周期内保持基本恒定。由此可见，增大激励频率确实能够有效提高OH自由基密度。那么激励频率是如何影响OH自由基密度的?众所周知，OH自由基主要来源于放电过程中电子与水分子的碰撞离解，而损失过程则主要是脉冲放电结束后OH自由基与OH、O、H和02等分子或原子的化学反应。文献36指出，当激励频率在

38、1 9kHz范围内变化时，激励频率对单次脉冲放电过程的影响可忽略不计，即说明激励频率对OH自由基的产生过程没有明显影响。因此，增大激励频率引起OH自由基密度升高的根本原因是减少了OH自由基的损失。增大激励频率缩短了脉冲与脉冲之间的时间间隔，根据式(1)和图4可知，减少了OH自由基因化学反应和气流的损失数量，使得OH自由基产生与损失速率稳定平衡时OH自由基密度升高。在距离喷嘴口10mm处，同样发现OH自由基密度随着频率增大而明显升高，但OH自由基密度在脉冲周期内随时间衰减较快，如图8b所示。这可能是由于10mm处的空气浓度高，使得OH自由基与OH、O、H和02等分子或原子的化学反应损失增大。脉冲

39、电压的幅值也是影响OH自由基密度的另一个重要参量。实验结果如图8c和图8d所示，实验中脉冲频率为5kHz，脉宽800ns。由图8c和图8d可见，随着电压幅值从4kV升高至9kV时，轴向位置为2mm处的OH自由基密度升高了约4倍，时间msa)2mm脉冲电源的激励频率N如M眨雌OOOOO0一一LLj。3i鞯等主=I()一_；5三一型灌安三JI否孵篡一，响蝴万方数据第32卷第8期 吴淑群等基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布89”广了i_芍ij电压kV(d)10mm脉冲电压幅值图8轴向位置为2mm和10mm处脉冲电压幅值对OH自由基绝对密度的影响Fig8 The

40、 effect of excitation frequency and appliedvoltage on OH radical density at axial positionz=2mm，10mm而轴向位置为10ram处的OH自由基密度则升高了约3倍。文献36付旨出，电压幅值的升高引起等离子体射流的物理参数(电子密度和电子温度)发生了明显改变，促进了OH自由基的产生过程。314 H20含量影响等离子体射流中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。但是，文献3却发现过量的水分子含量会明显减小等离子体射流的长度，影响脉冲放电过程。因此，为了清楚H20

41、含量对OH自由基密度的影响，采用两路氦气混合的方式调控H：0含量。其中，一路为干燥气体，另一路为氦气和水蒸气的混合气体。通过分别调节两路气体流量大小，可实现调节氦气中H20含量。本文采用手持式DPT一500露点仪对H20含量进行精确监测。实验中，脉冲电源参数：电压幅值为8kV，脉宽为800ns，频率为8kHz，实验结果如图9所示。值得指出的是，即使爹誊1 j1 J，O O 02 0 04 O 06 O 08 O 10H 20含量()图9 H，O含量对OH自由基绝对密度的影响Fig9 The effect of H20 concentration onOH radical density32 o

42、原子大气压低温等离子体射流中O原子的测量是基于双光子激光诱导荧光法，测量系统与图1类似。本文使用的激光能量在0原子荧光相对强度的线性范围内，即O原子的荧光相对强度线性表征了O原子绝对密度的高低，但暂时未对0原子荧光信号进行标定。以下为O原子荧光相对强度的初步结果。321 O原子的时间分布脉冲放电结束后，采用双光子激光诱导荧光法测量不同时刻的0原子荧光相对强度，得到O原子荧光相对强度随时间的衰减曲线如图10所示。测量位置为距离喷嘴口2mm处。工作气体为He(03)02，总流量为3Lmin。脉冲电源参数：电压幅值为8kV，脉宽为800ns，频率为8kHz。在01ms范围内，0原子荧光相对强度基本保

43、持不变。当时间大于01ms后，0原子荧光相对强度迅速衰减。有意思的是，经过60ms后，仍然能够在等离子体射流中检测到O原子荧光信号，即说明。原子的寿命时间较长。若定义O原子的寿命时间为O原子密度衰减至1e倍，则根据图10可知：O原子的寿命时间长达3ms，稍大于OH自由基的寿命。4O一_LLl芝一一一诞辩尝JIIlu士。一lE，。【l葑：鞋警丑垩I()万方数据90 电工技术学报 2017年4月三三兰一未簧=*芸球莹o LJ止LJJLLLLjJjilLLJJJLLJjLLLLLLL刖0 4 10 3 10 2 10一I 100 101 l(时间ms图10脉冲放电后，O原子荧光相对强度随时间的衰减曲

44、线Fig1 0 The decay curve of relative intensity of O atomicfluorescence VS time after pulse discharges322 O原子的空间分布通过调节激光束在z轴方向的位置，即可获得等离子体射流中O原子荧光信号沿z轴方向的空间分布，实验结果如图1l所示。实验中工作气体为He(03)02，总流量为3Lmin。其他放电参数与图10相同。由图11可知，在距离喷嘴口10mm范围以内，O原子荧光相对强度基本保持不变。当距离超过10mm后，O原子荧光相对强度则迅速降低。三。捌蓉b(晕芸裂鹫C图11 O原子荧光相对强度沿z轴向

45、的空间分布Fig1 1 The spatial distribution of the relative intensity ofO atom fluorescence along the jet axis323 频率和电压幅值影响脉冲电源的激励频率和电压幅值都是影响等离子体射流活性的重要参数。实验结果如图12所示。实验中工作气体为He(03)02，总流量为3Lmin。其他放电参数与图10相同。由图12a可知，随着频率从lkHz上升至6kHz，O原子荧光相对强度线性增加。当频率继续升高至9kHz时，0原子荧光相对强度则增加缓慢，达到饱和状态。由图12b可知，当电压幅值从45kV上升至85kV时

46、，O原子荧光jo型瞬嚣口*芸黎m隧兮要瓢二：搴专圣芸髻墨oa)激励频率。j O原厂荧光相对强度天系4 5 6 7 8 9电压kV(b)电压幅值与0原子荧光相对强度的关系图12 脉冲电源的激励频率和电压幅值对0原子荧光相对强度的影响Fig1 2 The effects of excitation frequency and voltageamplitude of pulsed power supply on O atomicfluorescence relative intensity相对强度线性增加了约4倍。324氧气含量影响O原子的主要提供者为氧气分子。文献37指出，通过在氦气中添加少量氧气

47、，发现有助于增强灭菌效果，并认为O原子可能是一种起关键灭菌作用的活性粒子。为了定量研究氧气含量对O原子密度的影响，本文精确控制He02比例，采用双光子激光诱导荧光法测量O原子荧光相对强度随氧气含量的变化规律如图13所示。工作气体为He02，总流量为3Lmin。放电参数与图10相同。由图13可知，当氧气含量从0增加至23时，o原子荧光相对强度出现先增大后减小的趋势。氧气含量为05时，O原子荧光相对强度达到最大值。该结果与文献37中最优灭菌效果时的氧气含量较为接近，进一步说明O原子在等离子体射流杀菌灭毒过程中起重要作用。0万方数据第32卷第8期 吴淑群等基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流

48、中OH自由基和O原子的时空分布 9l；o兰爿蓉：=*柴黎k莹。图13 氧气含量对0原子荧光相对强度的影响Fig1 3 The effect of 02 concentration on O atomicfluorescence relative intensity4 讨论41 oH自由基与。原子的寿命本文通过控制脉冲电源和激光诱导荧光系统的时序同步，采用自主研制的大气压低温等离子体射流装置，率先研究大气压低温等离子体射流中OH自由基和0原子的寿命。在本实验条件下，发现了该低温等离子体射流中OH自由基和O原子的寿命时间分别为lms和3ms，远远大于脉冲放电持续时间。本文测量的OH自由基寿命时间比文献38，391报道的结果高出12个数量级。原因在于两者的放电结构和工作气体存在较大差别。解释如下：从方程1可知，OH自由基的寿命时间取决于OH自由基浓度、气体组分和气流速度。(1)文献38，39采用的放电结构为脉冲激励的针针(板)放电，等离子体中OH自由基密度为10”1016cm，远远高于本文的OH自由基密度。因此，OH分子与OH分子反应成为主要的损失途径，使得OH自由基密度迅速衰减。(2)文献38，39中气体组分为He(01)H20或空气，OH自由基与其他粒子(如O，H，02等)的反应加快了0H自由基的衰减。