[发明专利]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

说明书

本发明提供了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，能够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，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；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。

技术领域

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。

发明内容

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D_n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U_a、正六边形边长x、介质厚度d、空气介电常数ε_air、空气中的电场强度E_air、沿面放电装置中介质的介电常数ε_glass及介质中的电场强度E_glass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U_a；随着外加电压U₊的继续增大，电场强度E_air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ε_glass和减小介质板厚度d。