中智科仪逐光IsCMOS像增强相机用于纳秒脉冲DBD在空气消毒领域的应用机理研究

时间：2024-11-20 来源：安博中国官网

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在公共场所的空气消毒应用中，大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)等离子体是一种新兴且有前景的技术。放电电源是其中的重要的条件，但其对等离子体空气消毒性能的影响尚不清楚。

2. Z值，定义为使微生物存活率下降一个数量级所需的特定输入能量SIE。Z值越小，意味着消灭同样数量的微生物所需的能量越小。

实验装置部分是用于测试DBD等离子体对细菌气溶胶单次通过灭活效率的通风管道系统，以下为该系统各部分的说明。

1. 通风管道：在气溶胶入口前增加了一个可调节的管道加热器(0-1200 W)，用以瞬间加热入口空气，探究在仅加热或“加热+等离子体”条件下气流温度对等离子体放电特性和细菌气溶胶存活特性的影响。

2. 温度和湿度监测：在加热器出口后安装了温度计，同时在等离子体反应器前后放置了两个温湿度计，用以监测气流的温度和相对湿度。

3. 气流速度：使用风速计测量反应器前的空气面速度(vin)，在实验中固定为1米/秒，总流量为40立方米/小时。

4. DBD反应器：建立了一个垂直型光栅式DBD反应器，其电极被石英管包围，交替连接到高压和地线产生等离子体阵列。反应器内部空气通过尺寸为85×85平方毫米，有16个空气间隙。

5. 电源激发：DBD由单极纳秒脉冲源或交流电源激发，测量了电压和电流波形。

6. 放电功率和臭氧浓度：计算了脉冲DBD的平均放电功率，并使用臭氧分析仪测量了臭氧浓度。

7. 光学诊断：使用光谱仪(MX2500+, 海洋光学)记录等离子体的光发射光谱，并使用逐光IsCMOS像增强相机(TRC411-H20-U，中智科仪)和变焦镜头对等离子体进行了成像，以探测放电区域形成的激发的物质种类，确定放电均匀性。

实验装置的设计允许研究者控制和监测影响DBD等离子体放电和细菌灭活效率的关键参数，如气流速度、温度、湿度和电源类型。

为了比较由脉冲源驱动的DBD与交流(AC)源的电气参数和光发射信号，保持了气流速率、湿度和放电功率尽可能相同。脉冲电压的基本信息参数包括脉冲上升时间(tr)、宽度(tw)、下降时间(tf)、频率(f)和电压幅度(Vp)，而交流电压包括电压频率(f)和幅度(Vp)。

图2 共对7个气隙进行了成像，并给出了第3个气隙的线发射密度。(a)脉冲源和(b)交流源的放电图像比较，交流源和脉冲源的线 a.u.(相对单位) 。注意：气隙旁边的光是由透明石英管的光折射和反射产生的。对于两种光源，曝光时间固定为200 μs(一个周期)。以上等离子体图像由中智科仪IsCMOS相机拍摄。

为了可视化放电的空间分布，应用了短曝光成像。曝光时间固定在200 μs，对应一个周期，成像区域为45 × 30.5 平方毫米，包括总共七个空气间隙。如图2(a)所示，对于交流DBD，放电丝很明显，几乎均匀分布在空气间隙中，间隔约1 mm。与此同时，脉冲DBD的放电更加均匀，但整体发射强度似乎更弱(图2(b))。

以第三个间隙为例，图3显示了间隙中心线和线平均强度的发射强度。尽管单个放电丝的最大强度更高，但对于交流源，放电丝更稀疏。结果，平均发射强度比脉冲源低22.7%，这与光谱仪测量结果一致。

研究发现，通过提高电压幅度、缩短脉冲上升时间和增加气流湿度和温度，能加强光栅式DBD的单脉冲放电能量。相反，提高频率则会降低放电能量。这些发现与先前关于脉冲放电的报告一致。比较了脉冲源和交流源消灭微生物的性能。脉冲源在低频率(1 kHz)下产生的Z值低于交流源，但在某些情况下略高。这表明脉冲源在特定条件下可能更优。建议将特定输入能量(SIE)作为基于等离子体的空气消毒的剂量参数，而Z值主要根据湿度。该研究提供了纳秒脉冲DBD等离子体空气消毒特性的基础认识，为供暖、通风和空调系统中的高效节能空气消毒提供了理论和工程基础。

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由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。