从等离子体射流到压力波：揭开等离子体诱导流动的“隐形推手”

基于光学波麦克风与高速相机的同步研究——以熊本大学大气压等离子体射流实验为例

关键词
Plasma jets,optical wave microphone,pressure wave,synchronized high speed image,等离子体诱导流,工业烟气治理

大气压等离子体射流近十年来在医疗、材料表面改性和生物处理等领域快速升温，已经成为工业烟气治理和工业等离子体技术圈的高频热词之一。无论是等离子体医械消毒、创面修复，还是对生物组织、液体介质的精细处理，都绕不开一个核心问题：等离子体射流与固体/液体靶标相互作用时，真正“落到靶上”的能量形态到底是什么？除了大家熟悉的活性氧氮（RONS）和电场作用外，那些无法直接看见、难以测量的压力波和声学效应，是不是也在“暗中发力”？

在2024年京都召开的第17届国际静电除尘会议（17th International Conference on Electrostatic Precipitation）上，来自日本熊本大学的 Thuzar Phyo Wai 与 Fumiaki Mitsugi 团队给出了一个非常有代表性的答案。他们利用自研的光学波麦克风（optical wave microphone），结合高速相机，对大气压等离子体射流产生的压力波及其对等离子体诱导流动（plasma-induced flow）的影响进行了同步观测和定量分析。这项研究虽然面向的是等离子体医学与等离子体-液体相互作用，但其在“能量从放电到靶标表面传递路径”的刻画上，对工业烟气治理、等离子体辅助脱硫脱硝、以及静电除尘器（ESP）中放电声场与流场相互作用的理解，都具有很强的参考价值。

研究首先回到一个基本物理图景：大气压等离子体射流从放电击穿开始，电能在时间和空间上不断转化。击穿瞬间的电能一部分转化为局部加热和等离子体发光，一部分则以冲击波的形式注入气体中，沿着玻璃管道传播并在出口退化为压力波。当这束等离子体射流打在固体或液体靶标上时，抵达靶标表面的不只是电子、离子、自由基和光子，还有这股通常被忽略的压力波。作者指出，如果仅从光学可视化手段（如Shadowgraph、Schlieren）和放电电流波形来评估等离子体-靶标相互作用，很容易低估甚至忽略压力波的作用，因为传统光学方法的动态范围和对流场扰动的适应性都不足以分辨等离子体放电叠加背景气流时那种微弱而快速的压力扰动。

为了解决这一难题，熊本大学团队发展了一种独特的光学波麦克风技术。它基于对相位物体进行Fraunhofer衍射的测量：一束637 nm的激光经透镜准直后穿过声压扰动区域，声压引起的折射率微小变化会在远场衍射图样中表现为光强的变化，再通过单模光纤和高灵敏度光电探测器转换为电信号。这种完全光学的“麦克风”，动态范围和空间分辨率远高于传统电声传感器，既可以测量表面介质阻挡前的气相压力波，也可以通过二维重建（结合计算机层析 CT）给出压力场分布。该技术此前已经用于介质阻挡放电（DBD）声场、等离子体喷流声压分布的定量研究[17–24]，本次工作则进一步把它和高速相机、KI-淀粉显色法结合起来，直接对等离子体诱导流动进行“声-光-化学”同步诊断。

实验中，研究者设计了两类典型的大气压等离子体射流装置：一类是内置玻璃包覆针电极的玻璃管结构，另一类则是在玻璃管外包裹高压和接地电极的“缠绕式”电极结构。工作气体选择工业应用中常见的He和Ar，流量控制在2 L/min范围，施加1 kHz、峰峰值约20 kV的正弦高压。对于行业读者而言，这样的配置与许多工业等离子体发生器、烟气预处理等装置的供电和流场条件具有较高的相似性，有利于将结论外推到其他工况。

首先，团队使用高速相机（最高5万帧/s，曝光20 μs）同步拍摄放电电流波形和等离子体羽状体（plasma plume）的时序演化。在Ar和He两种工况下，结果都显示：每当放电电流出现约10 mA的脉冲峰时，就可以观测到清晰的等离子体羽状体发光结构。电流在电压由零向正、由零向负两个半周期均会出现脉冲，对应的等离子体羽状体也在正、负两个极性下交替生成。但一个关键差异是：在正向电压半周期下生成的等离子体羽状体更容易从管口“冲出”，在气相中延伸得更远，因而与液体靶标的直接作用时间虽然很短，却更集中、更强烈；而负极性阶段的羽状体延展性较弱，更多呈局部放电特征。这意味着，对于需要精确控制等离子体-液体界面作用的应用（例如生物组织处理、等离子体灭菌，乃至湿式烟气净化中液相界面强化），必须同时考虑脉冲放电的极性、RONS寿命与输运、以及压力波在两个半周期中的差异响应。

在进一步的同步实验中，作者将研究重心转向压力波与等离子体诱导流动的关系。采用包覆电极型He等离子体射流，喷射至含有KI-淀粉试剂的液体靶标表面。KI-淀粉在活性氧（如过氧化氢）存在时会发生典型的由无色变为深蓝色显色反应，因此可以同时充当“化学示踪剂”和“流动可视化染料”，用来追踪等离子体诱导流动在液体中的推进路径和速度。高速相机在5000帧/s模式下对等离子体羽状体和液体中蓝色条带的演变进行长时间记录，而光学波麦克风的激光束则布置在液面上方5 mm处，实时记录压力波在靶标位置的瞬时幅值变化。

为了从大量瞬时帧中提取出与压力波演变时间尺度更匹配的信息，研究团队将相邻100帧图像做时间平均，每幅图像等效表示20 ms内等离子体羽状体和液体诱导流动的平均形态。随后，把这一系列平均图像与光学波麦克风输出波形、放电电压和电流波形通过外触发精确对时，从而实现真正意义上的“能量链条”全程关联：从电能输入、放电产生、羽状体形态、压力波传播，再到液体中等离子体诱导流动的响应。

结果清晰表明两个关键关联：其一，当光学波麦克风信号幅度较小、变化平缓时，等离子体羽状体大多沿玻璃管轴线稳定、笔直地延伸，液体表面的蓝色流动带缓慢前移；其二，当光学波麦克风输出出现明显的剧烈波动（代表瞬时压力波幅值较大）时，等离子体羽状体会发生侧向偏折（例如向右侧弯曲），并且在对应时段内可以看到KI-淀粉显色区域在液体内部向下强烈推进，形成更深、更长的蓝色“下沉条带”。更有意思的是，液面上流动起始点并不在管口正下方轴线位置，而是与羽状体偏折方向一致，出现在液面右侧偏移位置。这一细节非常有力地指向：驱动液体内部等离子体诱导流动的原始机械力，并非单纯由喷射气流或表面张力梯度决定，而与等离子体羽状体及其伴随压力波的空间分布强相关。

结合前人对等离子体诱导流动的研究，已有观点主要聚焦在几条物理路径：一是工作气体射流自身形成的剪切流和再循环结构[32]；二是等离子体活性物种改变液面表面张力，引发马兰戈尼对流[31]；三是电荷在界面处受外加电场驱动产生电动流[33]。熊本大学团队在此基础上增加了一个过去被严重低估的因素：压力波。通过光学波麦克风的高灵敏度测量与高速成像强关联，他们进一步推断，当压力波幅度突增且羽状体发生侧向偏折时，这一“声学冲击”在液面上的非均匀加载，会在局部形成宏观可见的下沉流动和沿深度方向的对流结构，其强度足以影响活性物种在液体内部的传输路径和浓度分布。

对于工业和环保领域，这一发现的意义远不止于“多认识了一种力”。在复杂放电设备中（如高频静电除尘器、电晕放电反应器、等离子体-催化一体化烟气净化装置），等离子体放电单元往往伴随可闻及超声频段的声发射。过去，我们更多把它视作噪声或机械振动来源，而这项研究提醒行业：这些由放电产生的压力波，可能直接参与气固、气液界面附近的流场重构，从而间接影响颗粒捕集效率、活性物种输运和局部反应速率。在未来的ESP和等离子体烟气治理装备优化中，如何利用类似光学波麦克风这样的高分辨非接触诊断工具，把“声场—流场—反应场”的耦合关系定量化，可能会成为一个新的工程设计方向。

文章最后，作者给出结论：在他们构建的实验体系中，压力波的幅度与等离子体羽状体的波动以及等离子体诱导流动的推进程度存在显著的同步关系。可以合理推断，压力波是驱动液体内部等离子体诱导流动的一种重要机械力量。对于任何需要精确调控等离子体-靶标相互作用的工业和医学应用，压力波的影响不应再被当作背景噪声，而应纳入整体能量传输和工艺控制的考量框架之中。

参考文献
[1] Kong M G, Kroesen G, Morfill G, et al. Plasma Medicine: an introductory review[J]. New Journal of Physics, 2009, 11: 115012.
[2] Schutze T A, Jeong J Y, Babayan S E, et al. The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma Sources[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1998, 26(6): 1685.
[3] Winter J, Brandenburg R, Weltmann K D. Atmospheric pressure plasma jets: an overview of devices and new directions[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2015, 24(6): 064001.
[4] Lu X, Naidis G V, Laroussi M, et al. Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas: Generation, transport, and biological effects[J]. Physics Reports, 2016, 630: 1-84.
[17] Than Nu Nu San, Aung Myint Myat, Si Thu Han, Mitsugi F. Two-dimensional sound pressure distribution: Visualization and calibration-free quantification via optical wave microphone CT scanning[J]. AIP Advances, 2024, 14(6): 065319.
[21] Mitsugi F, Kusumegi S, Nakamiya T, Sonoda Y, Kawasaki T. Distribution of Pressure Wave Generated by Atmospheric Plasma Jet Measured With Optical Wave Microphone[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, 47(2): 1063-1070.
[22] Thuzar Phyo Wai, Khing Zaw Phyo, Kamasaki M, Than Nu Nu San, Kawasaki T, Mitsugi F. Influence of Pressure Wave Generated During Plasma Formation on the Reactive Species Distribution[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2024, 52(3): 771-779.
[25] Mitsugi F, Kusumegi S, Nakamiya T, Sonoda Y, Kawasaki T. Time-Resolved Observation of Plasma Jets Synchronized With Fibered Optical Wave Microphone Measurement[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, 44(11): 2759-2765.
[26] Mitsugi F, Nakamiya T, Sonoda Y, Kawasaki T. Detection of Pressure Waves Emitted From Plasma Jets With Fibered Optical Wave Microphone in Gas and Liquid Phases[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, 44(12): 3077-3082.
[27] Mitsugi F. Optical Wave Microphone Measurements for Understanding the Mechanism of Acoustic Emission From Atmospheric Plasma Jet[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, 47(11): 4781-4786.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/