一、课题研究背景及意义

1.1 低温等离子体

等离子体与固体、气体、液体一样，是物质的一种聚集状态，其中包含大量的电子、活性分子、中性原子以及由电子碰撞电离产生的各种离子、活性基团、自由基、激发态原子和分子^[1,2]。常规意义上的等离子体是中性气体中产生了相当数量的电离，当气体温度升高到其粒子的热运动动能可以比拟气体的电离能时，粒子之间发生碰撞、产生大量的电离过程，在体内活性粒子产生和湮灭的能量交换过程中伴随有大量的发光和发热，因此等离子体本质上是一种电离性质的气体^[3]。

等离子体根据自身电子温度、离子温度和气体温度的相对大小分为热平衡态等离子体、局部热平衡态等离子体和非平衡态等离子体，被称为低温等离子体的非平衡态等离子体中电子温度远高于离子温度和气体温度，因此低温等离子体中可以在维持较低物质温度的状态获得较高的化学活性，推动常温下难以进行的化学反应过程的产生，在生物医学、材料处理、废气废液处理和新能源生产领域有广泛的应用^[4,5]。

气体放电是一种常见的产生低温等离子体的方式，按产生原理的不同，可以被分为电晕放电(Corona Discharge)、辉光放电（Glow Discharge）、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)、火花放电(Spark Discharge)，弧光放电和大气压等离子体射流（Atmospheric Pressure Plasma Jet，简称APPJ）。

电弧放电电流密度大，放电温度高，通常不适合运用于需要低温条件的应用场合。电晕放电发生在极不均匀电场中，导致气体介质局部击穿放电，产生低温等离子体，但由于放电区域过小，在实际应用中收到限制。火花放电发生时，电极间出现断续的明亮细火花，并伴有轻微爆炸声，其放电过程不稳定。DBD是典型的大气压下产生低温等离子体的方式，在两块金属电极之间插入绝缘介质的放电方式，阻挡介质的插入限制了电流的增长，可以阻挡放电通道发展成电弧，可以大规模均匀地产生低温等离子体。如图1所示，DBD通常采用平板电极结构或同轴结构^[6]。

如图2所示，APPJ 可以解决 DBD 狭窄放电间隙对处理材料外形尺寸的限制问题^[7]，实现了工作区域和放电区域的分离，由电子崩产生的大部分等离子体和活性粒子能够传输到所需处理的物体表面。APPJ 具有成本低廉、没有废弃物、无污染、均匀稳定、功率密度适中、活性粒子浓度高、放电温度低的特点，且能通过气流的作用，将高能活性粒子传送到预处理的物体表面等特点，在生物医学、材料表面改性、杀菌消毒等多个领域中具有极高的应用价值。

1.2 大气压等离子体射流阵列（Atmospheric Pressure Plasma Jet Array）

大气压低温等离子体射流凭借其放电温度低、可控性好、装置灵活等优势在科研领域与工业应用中获得了广泛的应用，但处理面积均仅有几平方毫米，限制了它的实际应用与发展^[8]。为了产生更适应实际应用的大面积射流源，研究人员实现了将多个小尺寸的射流单元并联起来组合成更大面积的射流排列组合，即射流阵列。按扩展维数分类，射流阵列可以分为一维和二维射流阵列。

一维等离子体射流阵列通常是将射流单元进行线性排列，增加射流等离子体处理长度。Cao 等^[9]将10个环状高压电极进行线性组合成阵列，如图3所示在环电极组和一个倾角小于 15#176;的地电极间形成了稳定的射流阵列，同时在每个高压电极单元上串接一个510kΩ的限流载压电阻进一步增强射流阵列时空分布的均匀性，通过电学和光学的研究手段发现，在线性射流阵列高压电极上串接载压电阻可以增强环板电极射流阵列处理不规则三维物体时维持射流均匀性的能力。Ghasemi 等^[10]利用纹影技术研究了一维射流阵列等离子体羽之间以及等离子体羽和环境气体之间的相互作用，图4展示了7SLM、5SLM、3SLM时未加电压时的羽流轨迹纹影图、加19kV电压后的羽流轨迹纹影图以及发光图像。研究表明等离子体羽之间排斥力是射流羽轨迹分叉的主要原因，同时射流之间的排斥力也会引起气流层流层长度的减小。