Газоразрядный генератор активного кислорода

Плазма является уникальной комплексной средой, содержащей заряженные частицы, активные радикалы, фотоны и т. д. Для применения в биологии и медицине интерес представляют источники холодной плазмы. Холодная плазма позволяет осуществлять «мягкое», неразрушающее воздействие на биологические ткани и жидкости при одновременно сильных бактерицидном и стимулирующем эффектах. В некоторых областях, связанных с обработкой легко воспламеняемых и легко разрушаемых веществ, также необходимо иметь плазменные потоки низких температур.

Бактерицидная обработка и консервирование могут быть осуществлены при использовании в качестве бактерицидного агента холодной плазмы. Метод отличается простотой применения, дешевизной оборудования, малой энергоемкостью.

Известно, что плазма обладает сильным бактерицидным эффектом [1], [3]. Одним из физикохимических свойств холодной плазмы является присутствие в ней в значительных концентрациях активного кислорода. Целью данной работы была разработка плазменного генератора активного кислорода. Внешний вид газоразрядного генератора показан на рис. 1.

Конструктивно генератор воздушно-плазменного потока выполнен в виде миниатюрного устройства.

Рис. 1. Устройство газоразрядного генератора активного кислорода

Принцип действия генератора активного кислорода (рис. 1) заключается в следующем. Плазмообразующий газ, в качестве которого выступает атмосферный воздух, от внешнего источника компрессора под давлением до 1,5 атм. через входной штуцер вводится в газоразрядный генератор. Пройдя через канал внутри устройства, он поступает в разрядную камеру генератора.

Принципиальная схема генератора представлена на рис. 2. Внешний высоковольтный источник (7) питания постоянного тока создает электрический потенциал в разрядном промежутке игла – сопло генератора, необходимый для возникновения его пробоя. Прошедший через возникший разрядный канал воздух ионизируется, и таким образом на выходе генератора образуется плазменный поток.

Рис. 2. Принципиальная схема генератора активного кислорода

Генератор активного кислорода включает головку (1); манометр (2) для измерения избыточного давления воздуха в разрядной камере генератора; вентиль (3), предназначенный для регулирования давления воздуха в разрядной камере; компрессор (4) для создания избыточного давления плазмообразующего воздуха; вольтметр (5) для измерения напряжения разряда; высоковольтный источник электропитания (6).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Вольт-амперная характеристика приведена на рис. 3. Пробой разрядного промежутка происходит при напряжении 2600 В. Рабочее напряжение горения разряда 1200–1400 В при силе тока 10–15 мА.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика генератора активного кислорода

Были проведены эксперименты по исследованию распределения среднемассовой температуры вдоль плазменного потока. Измерение производилось зондовым методом, в качестве зонда использовался микродатчик температуры, которым служило полупроводниковое микротермосопротивление МТ-54. Размер микротермосопротивления составляет 0,9 х 1,0 мм.

График распределения среднемассовой температуры по длине плазменного потока приведен на рис. 4. Начало отсчета расстояния велось от выхода сопла газоразрядного генератора. Эксперимент проводился при температуре окружающей среды Tкомн. = 22 °С, напряжении горения разряда U = 1400 B и давлении в разрядной камере p = 1,5 атм.

Как показали результаты исследования, среднемассовая температура плазменного факела равна 43 °С в центре и 34 °С на границе факела.

Рис. 4. Распределение температуры воздушно-плазменного потока

Измерение плотности потока энергии излучения микроплазменной струи в УФ-диапазоне производилось с помощью УФ-радиометра «ТКА-ПКМ»/12. Конструктивно данный прибор состоит из двух функциональных блоков: фотометрической головки и блока обработки сигнала, связанных между собой гибким многожильным кабелем. В фотометрической головке расположены три фотоприемных устройства на различные спектральные диапазоны УФ (A, B, C). Измерение плотности потока энергии излучения проводилось в продольном направлении на расстоянии 3 см от выходного сопла газоразрядного генератора при напряжении разряда U = 1400 В и давлении воздуха в разрядной камере p = 1,5 атм. Результаты проведенных измерений представлены в таблице.

Плотность потока энергии излучения

Спектральный диапазон, нм	Плотность потока энергии излучения, Вт/м 2
315–400 (А-область)	1,6 ± 0,2
280–315 (B-область)	3,1 ± 0,2
200–280 (С-область)	4,6 ± 0,6

Исследование спектра оптического излучения потока производилось с помощью многоканального высокоскоростного триггерного спектрометра AvaSpec-2048FT.

Регистрация производилась как в видимой области спектра, так и в УФ-диапазоне в продольном направлении по отношению к плазменному факелу с использованием в качестве плазмообразующего газа воздуха. Зарегистрированный в эксперименте спектр излучения приведен на рис. 5.

250 275 300 325 350 375 4® 425 450 475 5® 525 550 575 МО 625 650 675 7И 725 750 775 800

Длина волны, ни

Спектр излучения в поперечном направлении      — Спектр излучения в продольном направлении

Рис. 5. Спектр излучения плазмы генератора активного кислорода

Газоразрядный генератор активного кислорода

В случае использования воздуха в качестве плазмообразующего газа в зарегистрированных спектрах были обнаружены интенсивные линии O, O+, N, N+, полосы молекул O2, O2+, O3, N2, NO, а также атомарные линии элементов материала электродов [3], [4], [7], [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Можно заключить, что газоразрядный генератор позволяет получать плазменный поток с благоприятными для биологических объектов параметрами, который служит источником активных форм кислорода.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития Петрозаводского государственного университета на 2012–2016 годы, Минобрнауки РФ, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009–2013)», государственные контракты № 14.740.11.0895, № 14.740.11.0137, № 16.740.11.0562, № 14.740.11.1157, № 14.B37.21.0755, № 14.B37.21.0747, № 14. B37.21.1066, а также в соответствии с государственным заданием Минобрнауки России и заказом Департамента научных и научно-педагогических кадров университету на оказание услуг № 2.3282.2011 и №. 2.2774.2011.