大气压纳秒脉冲气-液放电因具有稳定性较好,能量利用率高,能产生丰富的活性氧和活性氮基团等优点而被广泛应用于生物医学、环境工程、材料合成和材料处理等领域。本论文在大气压空气、氮气、氦气和氩气等工作气体中,利用单针-水、针阵列-水电极结构获得了稳定的纳秒脉冲气-液放电等离子体,通过拍摄放电形态、测量电压电流波形和发射光谱研究了放电等离子体的电学特性和光谱特性,并将大气压空气和氦气纳秒脉冲气-液弥散放电等离子体应用于微生物灭活,主要研究内容有:1.在单针-水电极结构下,利用双极性纳秒脉冲电源驱动在大气压空气中获得了气-液弥散放电等离子体,且该弥散放电可以在不同底部形状的石英容器内产生。通过放电发光图像、电压电流波形和发射光谱研究了等离子体电学特性和光谱特性;分别研究了脉冲峰值电压和电极间隙距离对发射光谱强度和等离子体气体温度的影响;研究了水溶液pH值和溶液中NO2-、NO3-和H2O2浓度随放电时间的变化。结果表明,在每个电压脉冲内只有一次持续时间约为60ns的放电;OH(A2∑→X2∏)、N2((C3∏u→B3∏g,337.1nm)和N2+(B2∑u+→X2∑g+,391.4 nm)发射光谱随脉冲峰值电压的增大而增大,随电极间隙距离的增大而减小。在脉冲峰值电压30 kV,频率150 Hz和电极间隙距离3.5 mm的条件下,氮分子振动温度和转动温度分别为3700 K和390 K。等离子体气体温度随脉冲峰值电压的增大而略有上升,随电极间隙距离的增大而减小,气体温度基本不随放电持续时间的变化而改变,具有良好的时间稳定性。溶液的pH值随放电持续时间的增加而减小,在放电150 s后基本保持不变。水溶液中NO3-和H2O2浓度远大于NO2-的浓度,NO2-、NO3-和H2O2浓度均随着放电持续时间的增加而增大。2.在单针-水电极结构下,利用纳秒脉冲电源驱动在大气压氮气中发现了瞬时火花放电模式。瞬时火花放电包含流光放电、流光-火花转变、火花放电三个阶段。脉冲峰值电压对流光-火花转变时间和火花电流有着重要影响,随着脉冲峰值电压的增大,流光-火花转变时间逐渐减小,火花放电的电流峰值逐渐增大,且电流持续时间变短。在瞬时火花放电中,能量消耗主要发生在火花放电阶段,火花放电功率约占总功率的90%。通过发射光谱诊断了放电等离子体中的活性物种,讨论了活性物种的生成过程,并研究了脉冲峰值电压和氮气流速对发射光谱强度的影响。随着脉冲峰值电压的增大,N2(C3∏u→B3∏g,337.1 nm)和 N(3p4S°→3s4P,746nm)的发射光谱强度增大,OH(A2∑→X2∏)和N2+(B2∑u+→X2∑g+,391.4nm)的发射光谱强度基本保持不变;O(3p5P→3s5S°,777 nm)和Hα的发射光谱强度先增大后减小。随着氮气流速的增大,N2(C3∏u→B3∏g,337.1 nm)和N2+(B2∑u+→X2∑g+,391.4 nm)的发射光谱强度增大,O(3p5P→3s5S°,777 nm)、N(3p4S°-→3s4P,746nm)和Hα的发射光谱强度减小,OH(A2∑→X2∏)的发射光谱强度先减小后增大。利用N2(C3∏u→B3∏g,A∪=-2)的发射光谱计算了氮分子的振动温度和转动温度,在脉冲峰值电压30 kV,重复频率150 Hz和氮气流速30 mL/min的条件下,氮分子转动温度为380 K,振动温度为2510K,且振动温度和转动温度均随脉冲峰值电压的增大而升高,随气体流速的增大而降低。利用Hα线的斯塔克展宽和O(844 nm)、N(746 nm)线的斯塔克系数分别计算了放电等离子体的电子密度,三种方法计算的结果基本一致,电子密度约为1017cm-3,且随脉冲峰值电压的增大而增大。3.利用双极性纳秒脉冲电源驱动大气压氦气和氩气中针阵列-水电极结构下的气-液放电。氦气中放电呈现弥散形态,氦气流速为5 mL/min时放电面积约为790mm2;氩气中放电呈现类辉光模式,在5 mL/min的Ar气流中,放电的面积可达670mm2。电压电流波形结果表明,在氦气和氩气气-液放电中,在每个电压脉冲内,只有一次放电,放电持续时间约为40 ns。通过发射光谱检测了等离子体中的活性物种,并讨论了活性物种的生成过程。结果表明,在氦气放电中,随着氦气流速的增大,He(3s 3S→3P,706.5 nm)和Hα的发射光谱强度逐渐增大,OH(A2∑→X2∏)和O(3p5P→3s5S°,777 nm)的发射光谱强度先增大后逐渐减小,在氦气流速为5 mL/min时最大。在氩气放电中,Ar(4p→4s)、O(3p 5P→3s 5S°,777 nm)、Hα和OH(A2∑→X2∏)的发射光谱强度随着氩气流速的增大先增大后保持不变,随脉冲峰值电压的增大而增大。利用N2(C3∏u→B3∏g,△∪=-2)的发射光谱计算了氮分子的振动温度和转动温度。在氦气放电中,振动温度和转动温度分别为2600 K和310 K;在氩气放电中,振动温度和转动温度分别为2800 K和350 K。4.利用大气压空气纳秒脉冲弥散气-液放电等离子体对白色念珠菌、大肠杆菌和放线菌进行灭活处理,并研究了放电处理时间对三种菌种存活率的影响。结果表明,等离子体处理60s可使大肠杆菌的死亡率达到90%以上,处理时间达到5 min,大肠杆菌和白色念珠菌的死亡率都接近100%,放线菌的死亡率只有90%。利用多针-水电极结构下的大气压氦气纳秒脉冲气-液弥散放电处理流动水中细菌和真菌,研究了放电处理时间、氦气流速和水样流速对水中细菌和真菌菌落数的影响。等离子体处理20 s可以使细菌菌落数急剧减少,处理时间90s后细菌基本被灭活。等离子体处理时间150 s,真菌的菌落数接近0。氦气流速和被处理水的流速对细菌和真菌的灭活效率也有重要影响,在被处理水样的流速较低时,细菌和真菌的灭活效率更高。在放电处理时间为150 s时,氦气流速越大,其处理效率越高,当氦气流速大于10 mL/min后,细菌和真菌的菌落数急剧减少至接近0。