一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法、仿真方法及装置与流程

本申请属于电气工程
技术领域：
，涉及一种降低等离子体沿面放电装置起始放电电压的方法。
背景技术：
：近年来，大气压冷等离子体产生的活性粒子在生物医学、环境保护、纳米技术等应用领域起到关键作用，进入21世纪以来，针对大气压冷等离子体的研究方兴未艾，随着理论研究的不断突破，越来越多的潜在应用领域得以展现，特别是大气压冷等离子体应用于生物医学、环境保护、纳米制造等领域的研究已成为国际热点。大气压冷等离子体的产生形式主要包括电晕放电、介质阻挡放电、等离子体射流等。电晕放电只有在极不均匀电场中才会产生，产生的等离子体往往局限在微小空间中，不便于大规模的工业应用。介质阻挡放电的典型结构是平板或线筒结构，用于材料处理往往将被处理物作为一个地电极，例如在临床应用中就将人体作为地电极，而在高压电极上覆盖一层绝缘介质以防止触电。现有成熟的实验室等离子体产生装置主要有射流放电装置和沿面放电装置，其中射流放电装置需要在氦气或氩气气氛下，6kv左右高压驱动，沿面放电装置虽然不需要在氦气或氩气气氛下放电，也需要4.5kv左右高压驱动。因此等离子体应用于细胞处理、细菌杀灭、伤口止血及肿瘤治疗等科研、医疗场景和家用器具的杀菌消毒等家用场景，驱动电压过高会引起如下两个问题：一是用户难免会接触到装置表面，高压将导致安全问题；二是需要可靠稳定的升压模块驱动装置，对电源的稳定性安全性及绝缘性都有很高的要求。目前，对于如何降低等离子体沿面放电装置起始放电电压的方法，通常的做法是根据经验缩小放电面积，即减小地电极的幅面尺寸。但装置的放电面积往往又与应用场景有关，例如处理细胞、处理水溶液等，就需要较大的放电面积，目前也就必须调高电压才能满足装置正常工作。技术实现要素：本申请的目的是提供一种有效降低等离子体沿面放电装置起始放电电压的方法，解决目前等离子体沿面放电装置起始放电电压受到放电面积限制的问题，从而实现在较低电压下驱动沿面放电装置产生等离子体。本申请的发明构思是：将等离子体沿面放电装置模型简化为平板电容器，利用高斯通量定理(电位移矢量d对任一闭合曲面的面积分等于其所包围的自由电荷)、分界面定理(分界面上两电位移矢量dn的差等于分界面上面电荷密度)、d＝εe和等几个公式，分析得出正六边形网格沿面放电装置正常工作时的外加电压u+、起始放电电压ua、正六边形边长x、介质厚度d、空气介电常数εair、空气中的电场强度eair、沿面放电装置中介质的介电常数εglass及介质中的电场强度eglass的以下关系：正常工作时的外加电压u+不小于起始放电电压ua；随着外加电压u+的继续增大，电场强度eair也相应增大。因此有：从公式中得到降低放电电压的三个方法：减小正六边形网格的尺寸(正六边形边长x)、增大所选介质的介电常数εglass和减小介质板厚度d。据此，本申请提出以下技术方案：第一方面：一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法，包括选择并组装高压极、地电极和介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特殊之处在于，包括：确定等离子体沿面放电装置的地电极幅面尺寸，试制等离子体沿面放电装置，测量该等离子体沿面放电装置的起始放电电压u0；若要求的起始放电电压u1＜u0，则对于试制的等离子体沿面放电装置，减小其正六边形网格单元的尺寸、选择更大介电常数的介质板和/或减小介质板的厚度；若要求的起始放电电压u1＞u0，则对于试制的等离子体沿面放电装置，增大其正六边形网格单元的尺寸、选择更小介电常数的介质板和/或增大介质板的厚度；按照调整后的结构参数，重新制作等离子体沿面放电装置。进一步地，对于试制的等离子体沿面放电装置，具体调节其参数的依据为：式中，u+为正常工作时的外加电压，其不小于当前装置的起始放电电压ua；eair为空气中的电场强度，x为正六边形边长，εair为空气介电常数、εglass为介质板的介电常数，d为介质板的厚度。进一步地，所述地电极和高压极是使用微纳制造技术分别在介质板的两侧喷涂电极材料形成的。第二方面，一种微型化低压等离子体沿面放电装置，给出以下两个实施例。第一个实施例是：包括电源、高压极、地电极和位于高压极与地电极之间的介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特殊之处在于，所述电源的输出高压为1.8～2kv，所述地电极整体为矩形，长宽分别为40mm和20mm，所述地电极是使用微纳制造技术在介质板正面喷涂不锈钢材料形成的0.3mm厚的正六边形不锈钢网格；正六边形的边长(也即其外接圆的半径)为1mm；相邻两正六边形距离(也即正六边形边框的宽度)为0.3mm；介质板为玻璃材质。上述实施例可用作深度伤口止血消毒设备(或其组成部分)。第二个实施例是：包括电源、高压极、地电极和位于高压极与地电极之间的介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特殊之处在于，所述电源的最高输出电压不超过36v，且输出电压可调；所述地电极整体为矩形，长宽分别为40mm和20mm，所述地电极是使用微纳制造技术在介质板正面喷涂不锈钢材料形成的0.01厚的正六边形不锈钢网格；正六边形的边长(也即其外接圆的半径)为0.02mm；相邻两正六边形距离(也即正六边形边框的宽度)为0.01mm；介质板为玻璃材质。上述实施例的电源采用可变输出的铅蓄电池。第三方面，一种等离子体沿面放电装置起始放电电压调节的仿真方法，其特殊之处在于，包括：根据用户输入的等离子体沿面放电装置的结构参数，建立等离子体沿面放电装置模型，计算并输出显示该等离子体沿面放电装置模型的起始放电电压u0；所述结构参数包括地电极的幅面尺寸、地电极正六边形网格单元的边长x、介质板的厚度d、介质板的材料或介电常数εglass；接收用户输入的目标起始放电电压u1，比较u1与u0的大小，给出调节结构参数的提示信息或者直接提供符合所述提示信息的备选结构参数值；若目标起始放电电压u1＜u0，则所述提示信息为：减小x、选择更大介电常数的介质板和/或减小d；若目标起始放电电压u1＞u0，则所述提示信息为：增大x、选择更小介电常数的介质板和/或增大d。这里的“提示信息”强调的是实质含义，而不局限于上述“减小x、选择更大介电常数的介质板和/或减小d”、“增大x、选择更小介电常数的介质板和/或增大d”的表达形式。这里的“备选结构参数值”可以给出一组，还可以给出多组；且还可以利用机器学习算法考量其他因素，例如用户已经明确不宜更换介质板材料，则备选结构参数值就只涉及x、d；再如，受限于微纳制造技术的精度，相比减小x可能减小d更加可控，那么一组或多组备选结构参数值表现为对d的调节幅度更大。进一步地，所述备选结构参数值的计算依据为以下公式：式中，u+为正常工作时的外加电压，其不小于当前装置的起始放电电压ua；eair为空气中的电场强度，x为正六边形边长，εair为空气介电常数、εglass为介质板的介电常数，d为介质板的厚度。以上公式更有利于备选结构参数值的优化计算。第四方面，一种计算机可读存储介质，其存储的程序被加载运行时实现上述的一种等离子体沿面放电装置起始放电电压调节的仿真方法。本申请具有以下有益效果：本申请将等离子体沿面放电装置模型巧妙简化为平板电容器，据此分析得出起始放电电压的条件规律，明确了：减小其正六边形网格单元的尺寸、选择更大介电常数的介质板、和/或减小介质板的厚度，可以有效降低装置的起始放电电压。按照本申请，可以通过灵活调节装置相应参数，改变等离子体放电的起始放电电压，同时也因此可减小装置电源部分的体积，有利于实现沿面放电装置的便携化。本申请的一个实施例能够使起始放电电压从4.5kv降低为1.8kv左右，装置尺寸适用于较深的伤口止血消毒；另一个实施例能使起始放电电压维持在29.25v，低于人体安全电压36v，可用可变输出的铅蓄电池等直接供电。附图说明图1为等离子体沿面放电装置的核心结构示意图。图2为现有的一种等离子体沿面放电装置外形示意图。图3为作为地电极的正六边形不锈钢网格的示意图(局部)。图4为单个六边形孔以及起始放电判别条件的示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本申请做进一步的详细说明。如图1所示，一种等离子体沿面放电装置的核心结构(介质阻挡放电部分)，包括高压极101、地电极102和位于高压极与地电极之间的介质板103，其中高压极101通常采用铜材料(铜片或膜)，地电极102通常采用正六边形不锈钢网格，地电极幅面的整体形状通常是圆形或者矩形，主要根据装置前端结构件的形状而定。如图2所示，一种外形为圆柱状的便携式等离子体沿面放电装置，可分为介质阻挡放电部分1和电源部分2，其中介质阻挡放电部分1的地电极幅面和介质板也相应为圆形。可以看出，尽管整体结构和内部电路作了优化，但电源部分2仍然占据了装置大部分的体积。以下给出两个实施例，其中选择了矩形幅面的正六边形不锈钢网格地电极，如图3所示；使用微纳制造技术，将不锈钢材料喷涂在玻璃介质板的一侧形成地电极，介质板的另一侧均匀喷涂铜材料作为高压极。将可调节交流电源的输出端分别接在装置的高压极和地电极上，调节合适的电源大小，使装置放电。根据前述发明构思，尝试减小正六边形不锈钢网格单元的边长，减小高压极和低压极间介质板的厚度，选用比陶瓷介电常数更大的玻璃作为介质板材料。表1不同介质的介电常数耐高温陶瓷粘合剂3.5-4.5无线电瓷6-6.5超高频瓷7-8.5玻璃5在已有参数条件下：沿面放电装置的整体尺寸为40mm*20mm，介质板材料为陶瓷，正六边形网格单元的边长3mm，介质板厚度2mm。测量得到该条件下装置的起放电压为4.5kv。如图4所示，正六边形网格单元的中心处高电位，六边形边框处低电位，加载电压达到一定值时，首先在六边形边框处产生放电，随着加载电压逐渐增大，放电区域(环带)自边框向网孔中心方向延展，这里设起始放电判别条件为a＝x/3(即自边框向网格单元中心方向到三分之一边长处开始放电)，恰好到达该位置时，u+＝ua；当加载电压继续增大，放电区域继续向网孔中心方向延展最终整个地电极幅面均产生放电，且放电更加剧烈。实施例一：放电区域取a＝x/3(自边框向网孔中心方向到三分之一边长处开始放电为判别起始放电条件)。原始六边形网孔边长3mm，原始介质板厚度2mm，介质板采用介电常数为6的陶瓷；微纳制造修改的六边形网孔边长1mm，介质板厚度1mm，介质板采用介电常数为5的玻璃。代入下列公式：计算即放电电压变为原来的0.4倍，原尺寸下的起始放电电压为4.5kv，参数改变后起始放电电压降为1.8kv。根据上述公式计算，设计以下结构参数的小型化沿面放电装置：长宽分别为40mm和20mm，介质板上下两层的镀膜厚度均为0.3mm，上层的正六边形的边长(也即其外接圆的半径)为1mm，相邻两正六边形距离(也即正六边形边框的宽度)为0.3mm，介质板为玻璃材质，介质板厚度1mm。经再次测量，符合预期。实施例二：放电区域取a＝x/3(自边框向网孔中心方向到三分之一边长处开始放电为判别起始放电条件)，原始六边形网孔边长3mm，原始介质板厚度2mm，介质板采用介电常数为6的陶瓷；微纳制造修改的六边形网孔边长0.02mm，介质板厚度0.01mm，介质板采用介电常数为5的玻璃；代入下列公式：计算即放电电压变为原来的0.0065倍，原尺寸下的起始放电电压为4.5kv，参数改变后起始放电电压降为29.25v。根据上述公式计算，设计以下结构参数的小型化沿面放电装置：长宽分别为40mm和20mm，介质板上下两层的镀膜厚度均为0.01mm，上层的正六边形的边长(也即其外接圆的半径)为0.02mm，相邻两正六边形距离(也即正六边形边框的宽度)为0.01mm，介质板为玻璃材质，介质板厚度0.01mm。经再次测量，符合预期。当前第1页12