基于动理学效应的等离子体射流中活性粒子产生与优化的模拟研究

Atmospheric pressure plasma jets (APPJs) have a great application potential in medicine due to its outstanding capacity for generating high fluxes of various reactive species, in particular, reactive oxygen and nitrogen species, which play a decisive role in all applications. In this proposal, pulsed-APPJs are studied using a hybrid model of PIC-MC and hydrodynamics with the loosely-coupled and tightly-coupled strategies to optimize the production of reactive species. Through examining the generation and temporal-spatial evolution of reactive species with various lifetimes in atmospheric plasma jets, key reactions in the generation of specific species will be determined. Subsequently, viable strategies will be designed for effective generation of reactive species. In applications, the reactive specie are requested to be transported to the targeted surface in their lifetimes， and in the meantime they must be characterized and well controlled. By studying the fluxes of key reactive species delivered to the treatment surface under various gas flows and different discharge parameters, possible ways to control and optimize the performance of plasma jets will be proposed to tailor the fluxes of reactive species near the treatment surface. It is expected that this study can provide useful guidance for the application of APPJs in medicine.

大气压等离子体射流（APPJs）由于其独特的优点，在等离子体医学等领域具有广泛的应用。等离子体射流中产生的多种类、高密度的活性粒子是各种应用的主要载体，对应用效果有关键影响。本项目针对典型的、应用比较广的纳秒脉冲APPJs，考虑动理学效应，采用粒子和流体混合模型,同时结合紧耦合与松耦合算法，模拟研究活性粒子，特别是ROS及RNS的产生机理及优化策略。通过数值模拟，研究不同生存周期的活性粒子的产生途径、密度分布及动态演化规律，揭示关键活性粒子产生与消失的主要反应通道，给出借助放电参数优化活性粒子产生效率的主要途径。通过数值模拟，研究等离子体射流中关键活性粒子到达待处理物表面的通量变化，以及气体流速、放电参数对活性粒子通量的影响规律，探究如何使产生的活性粒子在其生存周期内，以最优的通量输运到待处理物表面，进而提出优化与调控等离子体活性粒子剂量的原则，为等离子体射流的高效应用提供参考。

大气压等离子体射流由于其独特的优点，在材料、环境、生物医学等领域具有广泛的应用。本项目将动理学方法和流体方法相结合，针对目前比较典型的、应用广泛的APPJs装置，对多种条件下产生的等离子体射流进行了模拟研究。通过全区域、高维度数值模拟，研究了等离子体射流传播特性、关键活性粒子的动态分布及输运过程，特别是到达待处理样品表面的活性粒子通量变化；分析讨论了关键活性粒子产生和消失的微观机制。通过数值模拟，研究了电极结构、驱动电压、工作气体种类及组分含量、气流速度等对射流特性和活性粒子行为的影响规律及影响机理，尤其是对应用中的关键活性粒子，深入探究了影响其产生效率和浓度的主要因素。等离子射流的应用是通过其产生的多种类、高密度的活性粒子来实现的，应用目标不同，所需要的活性粒子的种类和剂量也不同。如何有效产生所需要的活性粒子并对其浓度进行调控，是提高等离子体射流应用效果的关键。本项目的研究深化了人们对射流传播特性和活性粒子产生与输运机理的认识和理解，可以为大气压等离子体射流在多种领域的有效应用提供必要的参数选择依据和理论指导。