类型a
主要作者与研究机构及发表信息
这篇研究由梁建平（Jian-Ping Liang）、吕科（Ke Lu）、袁浩（Hao Yuan）、王红丽（Hong-Li Wang）、陈朝军（Chao-Jun Chen）、周子凯（Zi-Kai Zhou）和杨德正（De-Zheng Yang）等人完成，隶属于大连理工大学激光、离子与电子束材料改性教育部重点实验室。该研究于2024年9月25日被接收，并发表在《Plasma Processes and Polymers》期刊上。
学术背景
本研究属于非热等离子体（Non-Thermal Plasma, NTP）领域，特别是等离子体与液体界面相互作用的研究方向。非热等离子体因其能够同时产生强烈的紫外辐射和丰富的活性物种（如OH、H₂O₂、O和O₃），在医学、农业和水净化等领域得到了广泛关注。目前，基于反应器结构，等离子体与液体的相互作用主要分为三类：液相放电、气泡放电以及液体电极上方的气相放电。其中，第三类放电方式因具有低激发功率需求、对金属电极腐蚀小、易于控制放电稳定性等优点而受到更多关注。然而，由于液体电极的挥发性和自身特性（如pH值、温度等）容易变化，导致介质管内的放电特性复杂化，因此系统研究介质管参数和气体流速对放电过程及活性物种的影响仍较少。本研究旨在探讨石英管直径和气体流速对纳秒脉冲放电特性及其产生的活性物种的影响，为设计适用于等离子体医学应用的反应器提供参考。
研究流程
本研究包括以下主要步骤：
1. 实验装置与设置
实验装置由脉冲电源、放电反应器、电气特性检测系统和光学检测系统组成。纳秒脉冲电源（HVP-20P，西安智联电子科技有限公司）提供可调幅值（0–20 kV）、频率（0–100 kHz）和脉宽（0–1 μs）的脉冲电压。一个内径为30mm、高4cm的石英杯装有15ml去离子水，放置在接地金属板上。高压铜管（内径2mm，外径3mm）作为高压电极插入不同内径（4、6、8、10、12mm）的石英管中。石英管上端用聚四氟乙烯密封，下端浸入水中4mm深。工作气体为99% He/1% N₂混合气体，通过质量流量控制器调节气体流速。
数据采集与分析
使用ICCD相机（Andor New iStar DH334T）捕捉时间分辨放电图像，以研究石英管直径对放电演化过程的影响。光信号通过透镜（f=50mm）聚焦到光纤头部，并通过单色仪（Andor SR-750i，光栅槽密度2400线/mm，中心波长300nm）衍射后转换为数字信号。使用钛硫酸法测量H₂O₂浓度，使用对苯二甲酸（TA）法测量OH浓度。
实验条件
实验在16kV脉冲峰值电压、200Hz脉冲频率和5mm放电间隙条件下进行。通过改变石英管内径（4、6、8、10、12mm）和气体流速（15、200ml/min），系统研究了这些参数对放电特性（包括ICCD放电图像、气体温度、电子密度和活性物种生成）的影响。
主要结果
1. 石英管直径和气体流速对放电电流和能量输入的影响
随着石英管直径从4mm增加到12mm，第一次放电电流峰值从2.46A增加到10.22A，最大输入能量从1.91mJ逐渐增加到5.47mJ，表明较大的管径增强了放电强度。在固定管径（如8mm）条件下，提高气体流速不会影响放电起始时间，但会增加放电电流峰值（从5.09A增加到6.32A）和能量输入（从3.08mJ增加到3.61mJ）。
放电的时间演化特性
在脉冲上升阶段，放电光强集中在针尖附近，并沿石英管内壁传播；在脉冲下降阶段，放电向石英管中心轴收缩。随着气体流速从15ml/min增加到200ml/min，放电光强增强，径向尺寸减小并向中心轴聚集。此外，较大的管径增加了放电柱长度和光强。
活性物种的发射光谱分析
发射光谱主要由He I（388.9、501.6、587.6、667.8、706.5nm）、Hα、N₂第二正带（C-B）和OH（A-X）带组成。随着管径增大，所有活性物种的发射强度均显著增加。较高的气体流速也增强了活性物种的生成。
气体温度和电子密度的变化
气体温度和电子密度随管径增大而增加，尤其是在管径从8mm增加到10mm时增长显著。较高的气体流速同样提高了气体温度和电子密度。
OH和H₂O₂的生成
较高的气体流速和较大的管径均增加了OH和H₂O₂的浓度。例如，在15ml/min气体流速下，当管径超过8mm时达到最大生成量；在200ml/min气体流速下，当管径为10mm时达到最大生成量。
结论与意义
本研究表明，石英管直径和气体流速显著影响纳秒脉冲放电的动态演化特性和活性物种生成。较大的管径和较高的气体流速不仅增强了放电强度和活性物种生成，还延长了放电持续时间并扩大了等离子体-液体界面面积，从而提高了OH和H₂O₂的生成浓度。这些发现有助于理解针-水电极放电等离子体在介质管中的特性，并为设计适用于等离子体医学应用的反应器提供了重要参考。
研究亮点
1. 系统研究了石英管直径和气体流速对纳秒脉冲放电特性的影响。
2. 揭示了放电时间演化过程中光强分布和形态变化的规律。
3. 提出了优化OH和H₂O₂生成浓度的实验条件。
4. 采用先进的ICCD相机和光谱技术实现了对放电过程的高时间分辨率观测。
其他有价值内容
本研究通过详细的实验设计和数据分析，为非热等离子体与液体相互作用领域的基础研究提供了新的视角，同时也为实际应用（如医疗消毒和废水处理）提供了技术支持。