高压纳秒脉冲电源的研制及其放电等离子体特性与灭菌研究

摘要

使用脉冲电源激励等离子体发生装置具有很多优势，例如其真空紫外线和氧原子的产生效率更高、气体温度更低以及电子密度更高。脉冲电源激励产生的等离子体在近年来也吸引了研究人员越来越多的注意力。脉冲激励气体放电等离子体的用处十分广泛，包括灭菌、材料处理和水处理等。脉冲电源的研制和脉冲电源激励气体放电等离子体的特性研究是两个重要的研究方向，也是两个密不可分的研究方向。脉冲边沿速度对等离子体的特性和应用有明显影响，例如更快的边沿速度可以提高放电的均匀性以及增加放电电流。因此，本文研制了一台实验用高压纳秒脉冲电源，并选择大气压针-水放电装置进行了放电特性和灭菌应用的研究。　　首先，基于40个1200 V的IGBT单管进行了串联，得到了可以在高电压场合下工作的固态高压开关，并采用两组高压开关研制了脉冲电源。实验使用了光耦驱动芯片来驱动IGBT，使用了瞬态抑制二极管为IGBT提供动态均压。此外，还设计制作了具备电气隔离作用的驱动电源和基于光纤的信号传输通道。测试结果表明，在输出电压为-5 kV时，空载输出电压波形的下降和上升时间分别为45 ns和52 ns。　　其次，使用了自行研制的脉冲电源激励了针-水装置进行放电，并对放电的形貌、放电面积特性和发射光谱特性进行了研究。实验结果表明，脉冲电压幅值和脉宽增加的时候，放电面积会增加、N2(C)的相对发射强度也会增加。而在使用中性溶液、酸性溶液、碱性溶液和金属平板作为地电极的情况下，使用中性溶液时放电面积最大、N2(C)的相对发射强度最大，使用金属平板作为地电极时放电面积最小、N2(C)的相对发射强度最小。气流量的增加会导致放电强度增加，使用不同形状的高压电极时放电形貌有明显差异，但是放电强度没有明显差异。　　最后，使用自行研制的脉冲电源直接对青霉菌孢子悬浮液放电进行了处理，实验使用萌发抑制率来表征灭菌的效果。孢子经过等离子体处理后，其萌发抑制率随脉冲电源输出电压和脉宽的增加而增加、随气流量的增加而增加。萌发抑制率在使用不同形状的高压电极时没有显著差异，灭菌效果是多种因素协同导致，包括活性物质、带电粒子、紫外辐射、电场和电流等因素。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1 纳秒脉冲电源的研究现状

1.2.2 等离子体形貌和光谱特性研究现状

1.2.3 等离子体的灭菌应用研究现状

1.3 本文研究的目的及研究内容

高压脉冲电源的研制（第二章）

脉冲激励针-水放电等离子体特性研究（第三章）

脉冲激励针-水放电等离子体的灭菌应用研究（第四章）

2 纳秒高压脉冲电源的研制

2.1 引言

2.2 脉冲电源的整体设计

2.2.1 脉冲电源主电路设计

2.2.2 开关器件的选型

2.3 脉冲电源的高压开关设计

2.3.1 驱动与均压电路的设计

2.3.2 驱动信号接收电路的设计

2.3.3 高压开关的PCB设计制作

2.4 脉冲电源的辅助电路设计

2.4.1 驱动电源电路的设计

2.4.2 驱动信号发射电路的设计

2.4.2 辅助电路的PCB设计制作

2.5 脉冲电源整机的总装调试

2.6 本章小结

3 脉冲电源激励针-水等离子体放电特性研究

3.1 引言

3.2 针-水等离子体放电装置及测试系统

3.3 脉冲激励针-水等离子体放电形貌的研究

3.3.1 电压幅值和脉宽对放电面积的影响

3.3.2 地电极对放电面积的影响

3.3.3 气流量对放电面积的影响

3.3.4 高压电极形状对放电面积的影响

3.4 脉冲激励针-水等离子体放电发射光谱的研究

3.4.1 电压幅值和脉宽对发射光谱的影响

3.4.2 地电极对发射光谱的影响

3.4.3 气流量对发射光谱的影响

3.4.4 高压电极形状对发射光谱的影响

3.5 本章小结

4 脉冲电源激励针-水等离子体放电灭菌应用研究

4.1 引言

4.2 针-水等离子体放电装置和灭菌操作

4.2.1 针-水等离子体放电装置

4.2.2 灭菌操作步骤

4.3 针-水等离子体灭菌特性研究

4.3.1 电压幅值和脉宽对萌发抑制率的影响

4.3.2 气流量对萌发抑制率的影响

4.3.3 高压电极形状对萌发抑制率的影响

4.4 灭菌机理的讨论

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文的主要结论

5.2 后续研究工作与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢