王長全

(北京勞動保障職業(yè)學(xué)院 城市安全與應(yīng)急管理系，北京 100029)

1 引言

自1996年美國弗吉尼亞老道明大學(xué)的Laroussi博士[1]首次報道用大氣壓放電等離子體射流型等離子體(Atmospheric Plasma Jet, APPJ)殺滅致病細(xì)菌以來，與傳統(tǒng)的氣體放電等離子體相比，APPJ的最大優(yōu)勢是它通過強(qiáng)氣流將等離子體“吹”出放電區(qū)，直接噴射在大氣環(huán)境中，使等離子體與高壓電極分離，提高了安全性；同時它還具有放電溫度低，放電裝置靈活，化學(xué)活性可控性好、處理試樣尺寸不受限制等方面的特點，因此在生物醫(yī)療、材料表面改性等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2～3]。但目前研究中采用的射流裝置中產(chǎn)生的等離子體體積較小，其處理面積一般不超過幾平方毫米，小尺度的缺點限制了其工業(yè)應(yīng)用前景。為了產(chǎn)生更適應(yīng)實際應(yīng)用的較大面積的射流源，最近幾年，研究者們對射流放電進(jìn)行大尺度擴(kuò)展，以多個小尺度的射流為基本單元，將它們并聯(lián)排列起來獲得較大面積等離子體，稱為射流陣列[4～9]。

為了提升其應(yīng)用前景，研究者們都在尋求增強(qiáng)其放電效果的方法。其放電的關(guān)鍵是放電中電場強(qiáng)度的大小。某些研究者[10～12]探索了采用磁場約束的方式提高介質(zhì)阻擋放電等離子體的放電效果。但是，未對磁場對電場強(qiáng)度的影響進(jìn)行定量的分析。此處，利用仿真軟件Ansoft對磁控等離子體一維射流陣列進(jìn)行了建模和仿真，較深入地研究了磁場對射流等離子體陣列極間電壓和電場強(qiáng)度的影響。

2 一維等離子體射流陣列結(jié)構(gòu)及仿真模型

2.1 一維等離子體射流陣列結(jié)構(gòu)

利用單個射流的電極結(jié)構(gòu)，將多個點狀的單個射流排列在一條直線上，就構(gòu)成一維線狀排列的一維射流陣列。由5個單元組成的一維射流陣列的結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 一維射流陣列示意

2.2 一維等離子體射流陣列仿真模型

為了研究的方便，此處采用銅電極做高壓電極，石英管做阻擋介質(zhì)，不銹鋼板做接地電極，用NeFd35永久磁鐵做約束磁場，其內(nèi)徑為30 mm，外徑為40 mm，高度10 mm。所建立的等離子體射流的有限元模型如圖2所示。仿真時，給上電極施加10 kV電壓，下接地電極電壓為0 V。

圖2 有無磁鐵時的等離子體射流陣列有限元模型

3 一維等離子體射流陣列仿真結(jié)果及分析

3.1 磁場對極間電壓分布的影響

為了分析磁控條件下，磁場對射流陣列電極間電壓的影響，將高壓電極的電壓激勵設(shè)為10 kV，仿真分析了有無磁場時的極間電壓分布情況，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 有無磁鐵時的電壓分布比較

由圖3可以看出，有磁鐵和無磁鐵時，上電極電壓最大值沒有變化，只是極間不同位置的電壓的分布范圍發(fā)生了一定的變化。

3.2 磁場對極間電場強(qiáng)度分布的影響

在上電極電壓不不變的情況下，為了分析磁場對射流陣列電極間電場強(qiáng)度的影響，仿真分析了有無磁場時的極間電場強(qiáng)度分布情況，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 有無磁鐵時的電場強(qiáng)度分布比較

從圖4中可以看出，無磁鐵時的電場強(qiáng)度最大值為787330 V/m，而有磁鐵的為1042100 V/m，由于磁場的約束，電場強(qiáng)度提升了32.4%，這說明對于所建立的3個射流單元組成的一維射流陣列，磁場約束的效果比較明顯。

為了更深入地分析磁場對極間電場強(qiáng)度的影響，此處，也對YZ截面的電場強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 有無磁鐵時的YZ截面電場強(qiáng)度分布比較

由圖5可知，無磁鐵時的電場強(qiáng)度最大值為593530 V/m，有磁場約束的電場強(qiáng)度最大值為836260 V/m，電場強(qiáng)度的提升幅度約為40.9%，這進(jìn)一步說明了，磁場約束可以有效提高等離子體射流陣列的放電效果。

根據(jù)能量守恒關(guān)系，當(dāng)磁場施加于放電電極之間時，電極之間的電荷收到洛倫茲力的作用，根據(jù)電磁關(guān)系，當(dāng)帶電體受力有某一方向的分量時，則沿該方向的移動將導(dǎo)致電場能量增加，從而導(dǎo)致電場強(qiáng)度增加。

4 結(jié)語

通過對有無磁場約束的等離子體一維射流陣列建模與仿真分析，得出以下結(jié)論。

(1) 磁場不改變高壓電極的電壓幅值，僅改變其分布范圍。

(2) 磁場約束能有效提升極間電場強(qiáng)度的幅值，說明磁控等離子體射流陣列能有效提升等離子體的放電效果。