Rise Time Effects of a Portable Inductive Energy Storage Pulse Generator on NO Production in Spark Discharges

技术摘要：便携式电感储能脉冲发生器上升时间对电弧放电中一氧化氮（NO）生成的效应

问题陈述
一氧化氮（NO）是生理调节中的关键分子，在吸入疗法、伤口愈合和癌症治疗中具有应用前景。然而，目前的临床交付依赖于笨重的高压气瓶和复杂的稀释系统，限制了其便携性。基于等离子体的发生器提供了一种潜在的便携式替代方案，但其优化仍不完整。虽然先前的研究已经确定了脉冲能量、脉冲宽度和重复频率对 NO 产量的重要性，但上升时间在电弧放电中的具体影响仍有待深入研究。此外，现有的具有可调上升时间的高压脉冲发生器通常体积庞大，不适用于便携式应用。因此，需要一种紧凑的电感储能（IES）系统，能够在不受大规模设备限制的情况下，通过调节上升时间来理解其在 NO 生成中的具体作用。

方法论
本研究开发了一种基于 SiC MOSFET-变压器配置的便携式 IES 脉冲电源发生器。为了研究上升时间的调节，研究实施并比较了三种不同的控制策略：

1. 栅极电阻 ($R_g$)： 通过调节外部栅极电阻来控制 MOSFET 的开启延迟。
2. 漏源电容 ($C_{ds}$)： 添加外部电容以修改 MOSFET 的输出电容。
3. 并联高压电容 ($C_{HV}$)： 在变压器二次侧连接一个电容，以直接影响输出电压的上升速率。

该系统利用火花塞电极在环境空气中产生瞬态火花放电。生成的波形通过光学发射光谱（OES）进行分析，以测量激发态 $N_2$、$N_2^+$ 和 NO$\gamma$ 的发射强度。气体组分通过 NO、$NO_2$ 和 $O_3$ 分析仪进行定量分析。此外，研究通过氩线强度比估算了电子激发温度 ($T_e$)，计算了等离子体吸收功率，并测量了转动温度和电极温度，以评估热效应。

主要贡献

• 便携式架构： 本文提出并验证了一种简化的、基于 IES 的紧凑型高压脉冲电源发生器，适用于便携式 NO 生产。
• 对比控制分析： 系统地评估了三种上升时间调节方法，确定并联高压电容 ($C_{HV}$) 是在紧凑型 IES 拓扑结构中提供稳定且可预测的上升时间扩展的唯一方法。
• 机制澄清： 研究解耦了上升时间与其他波形参数之间的影响，揭示了在这种特定的 IES 架构中，上升时间调节与脉冲宽度及输入能量本质上是耦合的。

结果

• 波形控制： 调节 $R_g$ 主要影响开启延迟而非电压上升阶段。调节 $C_{ds}$ 会导致非线性行为和振荡，使其变得不可靠。只有 $C_{HV}$ 方法能够实现上升时间的单调增加（从 355 ns 增加到 570 ns），尽管这种扩展伴随着脉冲宽度的增加。
• NO 生产趋势： 随着上升时间的延长，NO 浓度、$O_3$ 和 $NO_2$ 水平也随之增加。同样，对于较长的上升时间（570 ns），$N_2^*$、$N_2^+$ 和 NO$\gamma$ 的光学发射强度最高，电子激发温度也达到最高。
• 主导机制： 尽管较长的上升时间与较高的 NO 产量之间存在相关性，但快速傅里叶变换（FFT）分析显示，波形的高频频谱特征高度相似，表明电子加速能力相当。相反，等离子体吸收功率的计算表明，其与脉冲宽度和输入能量之间存在强相关性。
• 热效应： 在所有条件下，转动温度保持恒定（~600–650 K）。电极温度随上升时间增加而略有升高，但仍低于 50°C，这表明热机制（如 Zeldovich 机制）并非 NO 生成的主要驱动力。

意义与结论
本文得出结论：虽然可以在紧凑型 IES 系统中调节上升时间，但由于其与脉冲宽度和输入能量的耦合，上升时间不能被视为一个独立参数。观察到的 NO 产量随上升时间增加而增加的现象，主要是归因于有效能量输入的增加和脉冲持续时间的延长，而非上升时间本身。研究结果表明，对于这种紧凑型 IES 架构，脉冲宽度和总能量输入是决定等离子体特性和 NO 生成的主导因素。这项工作通过强调紧凑型拓扑结构中独立波形控制的局限性，并明确了由能量输入驱动的电子碰撞激发和电离过程是此类条件下 NO 生成的主要机制，为未来设计便携式等离子体 NO 系统提供了参考。