CN101232770A - 介质阻挡放电等离子体喷流装置 - Google Patents

Abstract

介质阻挡放电等离子体喷流装置，属于等离子体发生装置，目的在于产生长距离、低温、富含活性成份的等离子体喷流，并且电极位置安全，适用于多种气体放电。本发明包括工作气体源、电源、高压电极、介质管，介质管为空心管，并与工作气体源连通；高压电极内嵌于介质管的管壁内或者套于介质管的管壁外，并与电源连接；高压电极套于介质管管壁外时，与介质管共同位于保护套管内。本发明易制作、好维护、使用安全方便，工作气体范围广，等离子体喷流温度、长度、粗细及数量均可根据实际应用进行调整，进一步拓展了等离子体技术的应用范围，提高了其应用效果。

Description

介质阻挡放电等离子体喷流装置

技术领域

本发明属于等离子体发生装置，具体涉及一种介质阻挡放电等离子体喷流装置。

背景技术

现有技术中，从总体上说放电等离子体源有两类：一是低气压等离子体；二是大气压等离子体，如：电晕放电，介质阻挡放电等。还有其它分类方法：按等离子体的温度与电子温度的关系，分为平衡等离子体和非平衡等离子体；按等离子体温度高低，分为高、低温等离子体，并分别具有不同特点和性能，应用也不同。现有等离子体喷流装置主要分以下四种：

(1)交流非平衡等离子体喷流装置

如图1所示，Yong Cheol Hong etal.“Microplasma jet at atmosphericpressure”Appl Physics Letter 89，221504(2006)中，描述了一种大气压下以氮气为工作气体产生等离子喷流的装置，该装置包括高压电极3、接地电极15、介质圆片16、外介质容器14和电源(交流)10，高压电极3和接地电极15由介质圆片16隔开，并共同装于外介质容器14内，电源(交流)10连接高压电极3和接地电极15；工作时，电源(交流)10调至高压，频率20千赫兹，以3升/秒的流量速度向外介质容器14输入工作气体(氮气)6，在高压电极3和接地电极15间进行放电产生等离子体，并从出气端口4以约255米/秒的速度喷射出等离子体喷流5，等离子体喷流5长度6.5厘米，宏观温度接近室温。由于高压电极3和接地电极15都与等离子体喷流5直接接触，而且容易发生弧光放电，具体应用时不安全。

如图2所示，类似的装置还有Jialing Zhang etal.“A novel cold plasmajet generated by atmospheric dielectric barrier capillary discharge”thin solidfilms 506(2007))中描述的一种产生低温等离子体喷流的装置，该装置包括高压电极3、接地电极15、外介质容器14、气体调控开关8和电源(交流)10。高压电极3为钨材料电极，位于外介质容器14中央并与电源(交流)10连接，接地电极15紧贴外介质容器14外壁，工作气体6从进气端口7进入，由气体调控开关8控制其流量，操作时产生等离子体喷流5。该装置不足之处在于高压电极3裸露在外部空间中，并与等离子体喷流5直接接触，具体应用时不安全。

(2)射频非平衡等离子体喷流装置

如图3所示，E stoffels etal.“Plasma needle for in vivo medicaltreatment：recent developments and perpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006)中，描述了一种射频等离子体针装置，该装置包括高压电极3、外介质容器14、介质管1、电源(射频)10。电源10为10兆赫兹的射频电源，与高压电极3相连。高压电极3为直径0.3毫米的钨丝，放置于直径4毫米的介质管1中央，顶端不包含于介质管1中，裸露于外部空间中，并与介质管1一起由底座兼通气结构17固定于外介质容器14中央，工作气体6从进气端口7输入。操作时能产生相应直径为2.5毫米的等离子体喷流5。但是，该装置的高压电极3顶端部分暴露于外部空间中，并与等离子体喷流5直接接触，具体应用时不仅不安全，而且产生的等离子体喷流5长度短、温度较高，距离高压电极3尖端1.5毫米和2.5毫米处的等离子体喷流5温度分别为90摄氏度和50摄氏度。

(3)微波非平衡等离子体喷流装置

由于采用磁电管微波发生器产生等离子体装置结构程序复杂，产生的等离子体喷流温度高，长度短，具体应用范围相对较窄，不详细介绍。

(4)脉冲直流非平衡等离子体喷流装置

如图4所示，采用脉冲直流电源进行介质阻挡放电产生等离子体是最近比较热门的研究方向。Xinpei Lu etal.“Dynamics of an atmophericpressure plasma generated by submicrosecond voltage pulses”J Appl.Phys100.063302(2006)中，描述了一种等离子体笔装置，该装置包括高压电极3、接地电极15、外介质容器14、介质圆片16、介质圆环18、电源(脉冲直流)10。高压电极3和接地电极15均为相同尺寸的圆环，分别粘贴于两块介质圆片16上，之间隔有介质圆环18，并一起位于外介质容器14前端。工作气体6为氦气，电源10为脉冲直流电源。操作时能产生5厘米长的等离子体喷流5，等离子体喷流5宏观温度接近室温。实验证明，当通入的工作气体6为氦气混合0.75％氧气的混合气体，脉冲直流电压5.3千伏，脉冲频率5千赫兹，脉宽500纳秒时，产生的等离子体喷流5中富含氧原子等活性成份，在杀菌消毒等具体应用中效果明显，见Laroussi Metal.“Inactivation of Bacteria by the plasma pencil”plasma process.polym.(2006)。高压电极3与接地电极15之间虽隔有介质，但由于距离很近，间隙0.3～1厘米，高压下环孔间容易发生弧光放电，具体应用时不安全。

如上所述，现有装置都各自存在类似的不足，比如：高压电极放置不妥，有的直接全部裸露或顶端部分裸露于外部空间中，并与等离子体喷流直接接触；高压电极和接地电极距离较近，空间存在直接相连途径，高压下容易发生弧光放电；放电工作气体源单一或只能是混有其他气体的混合气体，等离子体喷流中活性成份种类及数量少；产生的等离子体喷流长度短、温度高，并且难以实现大面积大规模具体应用。这些因素都大大的限制了现有等离子体喷流技术及装置的广泛应用。

发明内容

本发明提供一种介质阻挡放电等离子体喷流装置，目的在于产生长距离、低温、富含活性成份的等离子体喷流，并且电极位置安全，适用于多种气体放电。

本发明的一种介质阻挡放电等离子体喷流装置，包括工作气体源、电源、高压电极、介质管，其特征在于：所述介质管为空心管，并与工作气体源连通；所述高压电极内嵌于介质管的管壁内或者套于介质管的管壁外，并与电源连接；高压电极套于介质管管壁外时，与介质管共同位于保护套管内。

所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，所述介质管或保护套管顶端可以具有喷嘴，喷嘴开口端可以为圆孔、扁平形孔、圆锥形孔、弧形孔、喇叭形孔或多边形孔。

所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，构成所述介质管的空心管可以为单孔或多孔，所述单孔或多孔中各孔的径向截面可以为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形；所述高压电极形状与介质管的孔形状拟合，嵌套于各孔外的管壁内。

所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，所述保护套管两端封闭，封闭端可以开有单孔或多孔，所述单孔或多孔中各孔的径向截面可以为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形；所述介质管截面形状与保护套管两端的孔的形状拟合。

所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，所述电源可以为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。

本发明高压电极内嵌于介质管的管壁内或者套于介质管的管壁外，高压电极套于介质管管壁外时与介质管共同位于保护套管内，这样实际应用时不仅安全而且可以避免发生弧光放电。工作气体可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物等，不仅有利于增加等离子体喷流中活性成份的种类和数量，同时也可以很好的避免发生弧光放电。本发明工作时，可以用调控开关控制工作气体进入进气端口的流量，工作气体充满于介质管中；施加高压时，通过介质阻挡放电产生等离子体，并分布于介质容器内部及外部的空间中。产生的等离子体喷流的长度、粗细、温度和数量均可调整。

本发明易制作、好维护、使用方便、成本低、便携性好，克服了现有装置所存在的局限性，使介质阻挡放电等离子体喷流向空间长距离延伸、集中或开放，同时喷射出来的等离子体属于非热力学平衡的低温等离子体。根据不同的具体应用，选择不同的驱动电源和不同的工作气体，喷射出来的等离子体喷流温度可以改变，可以低于室温、接近室温或高于室温。同时喷射出来的等离子体喷流可以具有多种形状，其中含有的活性物质成份的种类及数量也可以根据具体应用进行选择，并可以实现常温常压下大规模大面积的具体应用。因此可以很方便的在常温常压下对物品或各种异形物品进行刻蚀、镀膜、表面改性、表面冶金和杀菌消毒等处理，拓宽了等离子体的应用范围，提高了其应用效果。

附图说明

图1为现有一种交流非平衡等离子体喷流装置示意图；

图2为现有另一种交流非平衡等离子体喷流装置示意图；

图3为现有射频等离子体针示意图；

图4为现有脉冲直流等离子体笔示意图；

图5为本发明第一个实施例结构示意图；

图6为本发明第二个实施例结构示意图；

图7为本发明第三个实施例结构示意图；

图8为本发明第四个实施例结构示意图；

图9为本发明第五个实施例结构示意图；

图10为本发明第六个实施例结构示意图；

图11(a)为一种单孔空心管状介质管的左视图；

图11(b)为一种单孔空心管状介质管的轴向剖视图；

图12(a)为一种多孔空心管状介质管的径向截面图；

图12(b)为一种多孔空心管状介质管的轴向剖视图；

图13(a)为一种两封闭端各开有一孔的保护套管的左视图；

图13(b)为一种两封闭端各开有一孔的保护套管的轴向剖视图；

图14(a)为一种两封闭端各开有9个孔的保护套管的左视图；

图14(b)为一种两封闭端各开有9个孔的保护套管的轴向剖视图；

图15(a)为形状为圆孔形喷嘴的径向截面图；

图15(b)为形状为圆孔形喷嘴的轴向剖视图；

图16(a)为形状为扁平孔形喷嘴的径向截面图；

图16(b)为形状为扁平孔形喷嘴的轴向剖视图；

图17(a)为形状为圆锥孔形喷嘴的径向截面图；

图17(b)为形状为圆锥孔形喷嘴的轴向剖视图；

图18(a)为形状为喇叭孔形喷嘴的径向截面图；

图18(b)为形状为喇叭孔形喷嘴的轴向剖视图；

图19(a)为形状为圆弧孔形喷嘴的径向截面图；

图19(b)为形状为圆弧孔形喷嘴的轴向剖视图。

具体实施方式

以下根据附图对本发明进行详细说明。

如图5所示，本发明的第一个实施例，包括介质管1、高压电极3、气体调控开关8、工作气体源9、电源10，介质管1为单孔空心管，孔的径向截面为圆形，圆环形高压电极3内嵌于介质管1前端管壁内，通过导线2与电源10连接，介质管1与工作气体源9连通，由气体调控开关8控制工作气体6的流量。

高压电极3可以是钨、铜、铝或不锈钢等导电性材料。

工作气体6可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物等。

介质管1可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化铝陶瓷等，形状及尺寸根据实际需要确定。

以单质氦气为例，调节气体调控开关8，以2升/分钟的流量向进气端口7通入工作气体6，图中箭头所示为其流动方向。高压电极3通过导线2接至电源10，选择交流电源为装置驱动电源。调节电源施加电压幅值至5千伏，频率38千赫兹。通过介质阻挡放电产生等离子体喷流5，距离出气端口4，外部空间延伸的等离子体喷流5最长可达110毫米，并且温度接近室温，人体的手可以直接接触。

输入气体流量可为0.1～100升每分钟，工作气体6的流速大小及输入均匀性对等离子体喷流5的形状有一定的影响。施加交流电压幅值220伏～60千伏，频率50赫兹～13.6兆赫兹；或者施加脉冲直流电压幅值220伏～50千伏，频率大于或等于50赫兹～100兆赫兹，脉宽大于或等于1纳秒。产生的等离子体喷流长度可为0.1～110毫米。

图6为本发明第二个实施例结构示意图；和图5的第一个实施例区别在于介质管1前端具有喷嘴12，喷嘴12为独立结构，其它标记与图5所示相同。

图7为本发明第三个实施例结构示意图；和图5的第一个实施例区别在于高压电极3套于介质管1外壁，并与介质管1共同位于保护套管11中，保护套管11两端封闭，封闭端开有单孔，孔的形状与介质管1的截面形状拟合。图7中其它标记与图5所示相同。

保护套管11可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化铝陶瓷等，形状及尺寸根据实际应用确定。

图8为本发明第四个实施例结构示意图；和图7的实施例区别在于保护套管11前端具有喷嘴12，喷嘴12为独立结构，其它标记与图7所示相同。

图9为本发明第五个实施例结构示意图；介质管1为多孔空心管，各高压电极3形状与介质管的孔形状拟合，嵌套于各孔外的管壁内。各高压电极3通过导线2、控制开关13与电源10相连，通过控制开关13控制各高压电极3的通断来控制等离子体喷流5的数量。介质管1各孔端口处具有喷嘴12，喷嘴12为独立结构。图9中其它标记与图5所示相同。

内介质管1孔的数量可根据具体应用选择，本实施例中为9个。

图10为本发明第六个实施例结构示意图；和图7的实施例区别在于保护套管11封闭端开有9个孔，9根介质管1截面形状与保护套管11两端的孔的形状拟合；各高压电极3套于各介质管1壁外，并与各介质管1共同位于保护套管11中。各高压电极3通过导线2、控制开关13与电源10相连，并通过控制开关13控制各高压电极3的通断来控制等离子体喷流5的数量。图10中其他标记与图7所示相同。

图11(a)、图11(b)所示为一种单孔空心管状介质管，介质管1呈圆形针管状。

图12(a)、图12(b)所示为一种多孔空心管状介质管，介质管1呈圆柱状，开有9个通孔，各孔径向截面为圆形。

图13(a)、图13(b)所示为一种两封闭端开有单孔的保护套管，保护套管11呈空心圆柱状，孔的径向截面为圆形。

图14(a)、图14(b)所示为一种两封闭端各开有9个孔的保护套管，保护套管11呈空心四棱柱状，孔的径向截面为圆形。

图15～图19所示喷嘴为独立连接式，并均具有与介质管1开口端或保护套管11的接口配套、可靠而方便地连接在一起或卸下的接口。

如图15(a)、图15(b)所示，喷嘴5的形状为圆孔形；

如图16(a)、图16(b)所示，喷嘴5的形状为跑道形；

如图17(a)、图17(b)所示，喷嘴5的形状为圆锥孔形；

如图18(a)、图18(b)所示，喷嘴5的形状为喇叭孔形；

如图19(a)、图19(b)所示，喷嘴5的形状为圆弧形。

Claims (8)

1.一种介质阻挡放电等离子体喷流装置，包括工作气体源、电源、高压电极、介质管，其特征在于：所述介质管为空心管，并与工作气体源连通；所述高压电极内嵌于介质管的管壁内或者套于介质管的管壁外，并与电源连接；高压电极套于介质管管壁外时，与介质管共同位于保护套管内。

2.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：所述介质管或保护套管顶端具有喷嘴，喷嘴开口端为圆孔、扁平形孔、圆锥形孔、弧形孔、喇叭形孔或多边形孔。

3.如权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：构成所述介质管的空心管为单孔或多孔，所述单孔或多孔中各孔的径向截面为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形；所述高压电极形状与介质管的孔形状拟合，嵌套于各孔外的管壁内。

4.如权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：所述保护套管两端封闭，封闭端开有单孔或多孔，所述单孔或多孔中各孔的径向截面为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形；所述介质管截面形状与保护套管两端的孔的形状拟合。

5.如权利要求3所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：所述保护套管两端封闭，封闭端开有单孔或多孔，所述单孔或多孔中各孔的径向截面为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形；所述介质管截面形状与保护套管两端的孔的形状拟合。

6.如权利要求3所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：所述电源为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。

7.如权利要求4所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：所述电源为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。

8.如权利要求5所述的介质阻挡放电等离子体喷流装置，其特征在于：所述电源为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。

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