低温等离子体由于高电子温度,低气体温度的特性,在医疗手术、杀菌消毒、伤口愈合及材料表面处理等领域被广泛研究。微波等离子体相比传统的高压直流或射频等离子体具有更好的安全性,更高的电子密度等优异性能,受到越来越多的重视。特别是固态微波器件的发展,使得低温微波等离子体系统可以大幅缩小体积,实现可手持,从而进一步扩展了低温微波等离子体系统的应用前景。低温微波等离子体系统,主要包括了微波源及传输线,阻抗调配器及等离子体源三部分。本学位论文以发展更加稳定,高效,小型化的低温微波等离子体系统为研究目标,对全自动三销钉调配器,小型化的大气压微波等离子体炬、低温微波等离子体的特性及控制、调制微波激发的低温等离子体射流特性、低温微波等离子体在灭菌中的应用进行了分析和研究。主要的研究内容有:1.提出了一种新型的双同轴复合结构手持微波等离子体炬。通过对微波场分布和气流分布的仿真研究,设计并测试了一种新型等离子体炬;该炬能够在双通道氩气条件下,无需传统的石英玻璃管保护,就可以在大气中直接产生稳定的丝状低温等离子体射流。论文对等离子体炬的设计方法和等离子体炬的工作条件以及产生等离子体的参数进行了研究,实验结果表明,提出的等离子体炬具有高微波效率,可手持任意旋转、等离子体射流长度可控的特点,该炬产生的等离子体射流气体温度低,可用手触摸,且电子温度在0.6～1e V。2.针对等离子体阻抗在不同气体、不同气体流量、不同微波功率等工作条件下波动的特性,研究并设计了适用于微波等离子体系统的阻抗测量系统及阻抗自动调配系统。推导并建立了基于三探针的微波阻抗实时检测算法,实现了对微波阻抗的实时热测。研究结果表明大气压丝状等离子体射流整体呈感性,不同功率下的微波等离子体射流阻抗会有较大幅度的变化,而改变气流对于等离子体阻抗的影响则较小,为后续源-炬一体化的超小型等离子体炬的阻抗匹配奠定了基础数据。此外针对三销钉的半径、插入深度等设计参数进行了仿真研究,在此基础上全面设计并实现了自动三销钉电气、机械结构;推导和实现了阻抗的自动调配,在2.45GHz的工作频率上实现了单次调配时间小于2s,调配后平均电压驻波比小于1.2,达到了国外同类先进产品的水平。3.对低温微波等离子体在不同功率、电离气体,气流流量等参数下的变化进行了研究。通过数码成像、红外成像及发射光谱诊断等方法,对等离子体的长度变化、发射光谱变化、电子温度变化进行了研究。研究结果表明,该低温微波等离子体系统产生的等离子体射流可以通过微波功率和气流流量进行稳定控制,微波功率变化时电子温度无明显变化。此外,对于调制微波等离子体的特性也进行了研究。通过改变不同的调制参数,包括占空比和调制频率,对调制的微波激发的等离子体进行了特性研究。研究结果展示了调制微波等离子体在各个方面都与连续微波激发的等离子体特性不同,且在特定的调制参数下调制微波等离子体射流会发生稳定可控的撕裂,观察到了调制等离子体在未接触样品时呈单根而接触物体表面时发生树状撕裂的新现象。这种撕裂的控制可以增加单个等离子体炬处理材料时的接触面积,从而在大面积样品处理中表现出应用潜力。4.利用研制的低温微波等离子体炬,研究了微波低温等离子体射流的灭菌作用。通过铺种了大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌的琼脂,用等离子体对琼脂表面进行不同时间、不同次数、不同区域的处理。结果表明,等离子体对上述所有菌种都有非常强的消杀作用,展示出了在医学消毒领域的应用前景。