1.    实验室介绍

大气压非平衡放电等离子体由于其在材料表面改性、环境、污水处理、生物医学等方面的潜在应用受到了人们的极大关注。其中大气压非平衡等离子体在生物医学方面的应用，即“等离子体医学”是近年来兴起的一个研究方向，引起了人们极大的关注。同时，这些兴起的热门应用对放电等离子体本身的产生与优化也提出了更高的要求。如何更好地调控放电等离子体的理化效应依赖于准确的的实验工作及深入细致的数值模拟研究。

因此，放电等离子体实验室的建立旨在瞄准国内外等离子体领域关注的前沿问题，深化放电等离子体基础理论的模拟仿真研究和对应实验验证，着重探究放电等离子体活性粒子的性质以及其与相关生物物质的作用机理；再结合潜在工业应用的指标需求，定制调控放电机制，扩展放电等离子体技术的适用场景，解决我省乃至全国放电等离子体基础理论研究的难点和科技成果转化的技术壁垒，取得原创性突破。

放电等离子体实验室的特色在于结合了准确的数值模拟与先进的放电等离子体发生和诊断系统。目前实验室已初具规模，如图1所示，主要的研究平台包括：放电等离体子体高性能计算平台和放电等离体子体高精度实验平台。高性能计算平台包含多台高性能计算工作站，并已经组成计算集群，同时与山东大学计算中心、国家超算济南中心建立了长效合作机制，使该平台在等离子体的流体模拟、粒子模拟及混合模拟方面能实现较好的仿真实验，针对具体的模拟对象，实验室开发了数套等离子体模拟软件，申请了软件著作权多项。高精度实验平台配置了相对齐全的基础放电装置和部分国内先进的等离子体诊断设备，涵盖了从射频、微波放电至介质阻挡放电再到水下电爆破的放电方式，可实现对放电和其与介质相互作用的电、声、热、光学参数的诊断研究，从而实现从发生到现象分析再反馈到等离子体调制的闭环研究能力，特别是配备了国际领先的LIF激光诱导荧光系统以及超速相机ICCD光谱仪系统，可实现对等离子体活性粒子的瞬态时空分辨研究和放电形态学研究。

借助以上两个平台，放电等离子体实验室可做到以实验验证理论，以理论指导实验的“共赢”局面，这种优势的放电等离子体研究体系在省内是首屈一指的，甚至在全国同等级别等离子体研究院所中也是难能可贵的。其次，实验室特别注重深入多学科交叉领域，以放电等离子体产生及其活性粒子调控技术为主要依托，开展与需求单位的应用合作和成果转化研究。为尤其是与山东大学医学院、口腔医院等，进行了深度医工交叉研究，利用成熟的分子动力学模拟和数值模拟手段分析了气体和液体放电等离子体中活性粒子与细胞、细菌的作用机理，再结合实测等离子体特性数据和医学院专业生物检测，验证理论模型结果，总结了等离子体与被处理生物样本的真实作用规律并预测产出效果，取得了理论与实践相结合的研究成果，促进了特定等离子体在相关医学应用中的推广和商业化。

    (a) 气体放电等离子体室           (b) 光学诊断与液相放电等离子体室

图11.1放电等离子体实验室

2.    实验室功能

放电等离子体实验室主要包含数值模拟计算平台和精准实验平台。数值模拟计算平台包含了多种用于实现数值模拟的专业软件，如MS，Comsol。实验平台根据功能可分成电源发生器系统、控制系统和诊断系统。电源发生器系统包含了高压直流电源、电压高频高压交流电源、方波纳秒脉冲电源、微波调制电源、射频脉冲源、大气压射频DBD发生器、大气压气液两相DBD发生器、低气压真空放电仓、液相放电箱等，如图11.2所示。基础电学诊断设备包含Tek P6015 型高压探头、Pearson 6595 型罗氏线圈和CWF HF600型罗氏线圈等。先进光学诊断设备包含Canon EOS 500D 型数码相机、腾龙 70-200mm F/2.8 Di VC USD镜头、光纤、聚集光路、Princeton 750 型光谱仪、PI-MAX4 型ICCD高速摄像仪、InnoLas SpitLight 600 泵浦激光器和LiopTec 染料激光器等，如图11.3所示。

      

(a) 纳秒脉冲系统                                                             (b) 微波调制电源

图 11.2电源发生器系统

 

         

(a) 光谱仪和ICCD高速摄像仪              (b) 泵浦激光发生器

图 11.3先进光学诊断设备

基于以上软硬件基础，再结合电力工业需求，特别针对近年来等离子体在生物医学、环境治理、材料改性等多方面所展现出的巨大应用前景，实验室可通过结合不同的发生系统和诊断手段实现具有应用价值的研究，可进行的大类实验包括：大气压/低气压射频微波等离子理论及应用、大气压/低气压射流DBD等离子体理论及应用、液相放电理论与物化效应应用，结合具体工业需求可研究包括：

(1)     大气压脉冲放电等离子体与微等离子体的粒子模拟与流体模拟；

(2)     大气压气体放电等离子体的稳定性与活性判定实验；

(3)     射频放电等离子体的优化控制实验；

(4)     大气压介质阻挡放电灭菌效果与机理；

(5)     低温等离子体中ROS破坏生物组织的微观机理；

(6)     介质阻挡放电处理挥发性有机物（VOCs）的微观机理与工业化应用；

(7)     低温等离子体协同光催化在生物和环境方面应用；

(8)     纳米复合材料的等离子体改性制备；

(9)     射流放电产生活化油灭杀肿瘤细胞；

(10) 气液两相DBD放电产生活化水消除农残；

(11) 等离子体活性氧簇降解黄曲霉毒素的反应分子动力学模拟；

(12) 等离子体医疗器械杀菌消毒的研究；

(13) 水电锤效应定向冲击碎岩；

(14) 低气压二氧化碳转化氧气；

(15) 放电等离子体活性粒子（ROS）种类时空分辨等。

3.    实验室主要设备

放电等离子体实验室主要设备以放电源系统、控制器系统、放电发生器和诊断系统为主，如表11.1、表11.2、表11.3、表11.4所示。

表11.1 实验室主要放电源系统

放电源系统
	设备名称	设备组成	设备功能	设备照片
1	高频交流源	该设备组成包括： （1）交流调压变压器； （2）CTP-2000型等离子体发生器。	该设备可实现从220V/50Hz市电到高频高压交流电的转换，中心频率为8kHz-10kHz，电压幅值0-40kV可调
2	方波纳秒脉冲源	该设备组成包含： （1）数字信号发生器； （2）DC高压直流源Teslaman-60； （3）脉冲方波发生器DEI   PVX-4110。	该设备可用于产生纳秒方波高压波形：上升沿<60ns,最大电压10kV可调，最大频率为10kHz，并可实现正负极性、上升沿、脉宽调节
3	微秒脉冲源	该设备组成包含： （1）DC高压直流源峰极HPS-60-120； （2）手动电弧间隙开关； （3）充电阻抗、高压脉冲电容器Pluspark； （4）RI80放电无感电阻。	该设备用于产生脉宽为百微秒量级高压脉冲波形，电压幅值调节范围为0-60kV，可实现单脉冲能量从3.35J-480J的变化，通过调节电容位置和电路电阻，可实现放电波形的脉宽调节和正负极性输出转换。
4	微波调制电源	该设备为整合型一体式电源	该设备用于产生高功率可调制微波波形，电压幅值0-800V可调，微波频率为3GHz，功率为1kW。
5	射频脉冲电源	该设备为整合型一体式电源	该设备用于产生高功率可调制微波波形，电压幅值0-600V可调，微波频率为13.56MHz，功率为200W

 

 

 

 

 

 

表11.2 实验室主要控制器系统

控制器系统
	设备名称	设备功能	设备照片
1	数字信号发生器	该设备可产生幅值（0-10V）、上升沿、脉宽、频率可调的触发信号；信号波形有正弦信号，方波信号，脉冲信号，斜波信号，触发方式有内触发与外触发、重复触发与单触发模式。
2	数字延时信号发生器SRS-DG645	该设备可用于产生延时、时序可调的数字延时发生器；正面四通道脉冲延时触发接口，背面8通道单上升触发信号输出；输出电平0-5V可调，标准时基为5ppm，分辨率为5ps，上升沿和下降沿可触发，可重复触发和单次触发。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表11.3 实验室主要放电发生器

放电发生器
	设备名称	设备功能	设备照片
1	射流管/阵列射流管	该设备用于气体DBD射流放电，单射流管可产生单个射流通道，阵列射流管可产生多组射流放电通道
2	平板DBD放电腔	该设备用于产均匀性较强的平板DBD放电，内部可置放待处理液体或介质。
3	DBD放电管	用于产生均匀放电等离子体，可处理管内被充气体。
4	液相放电箱	用于灌注液体介质，实现电极间的击穿放电，可研究液相放电理化效应，主要用于探测水电锤效应和水声源的碎岩效果。

表11.4

诊断系统
	设备名称	设备功能	设备照片
1	电压探头-泰克P6015	该设备用于高压波形的探测与获取，可测量程为0-20kV，脉冲为0-40kV，分压比为1000：1。
2	电流探头-Pearson6595	该设备用于电流波形的探测与获取，输出变比为   1V/A。
3	加速度计-PCB   138A01	该设备用于测量水下冲击波/声波波形，最大量程为6.5MPa，输出变比为750mV/MPa，输出上线为13MPa。
4	光谱仪	该设备用于激发态例子发生光谱的诊断与频谱分析。
5	ICCD	该设备用于对放电过程的瞬态过程拍摄，用于放电形态学研究和发射光谱的拍摄。拍摄门宽最快为2-3ns，fps最大为1M，可内、外触发，拍摄模式有重复拍摄和时序拍摄。
6	LIF系统	该设备用于产生单色激光束，激发待测例子产生特定波长荧光，配合ICCD和光谱仪，用于对特定激发态例子的种类、浓度的时空分辨。使用罗丹明6G染料可产生33mJ能量的283nm激光。
7	光电倍增管	该设备用于测量和收集放电发生时的光信号，结合光谱仪实现发射光谱分析，用于放电等离子体产物的种类定性判断。