CN101426327A - 等离子体射流装置 - Google Patents

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Abstract

等离子体射流装置，属于等离子体发生装置，解决现有等离子体射流装置存在的电极不安全或电极和接地之间可能发生电弧放电的问题。本发明包括电源、工作气体源、电极，工作气体源的工作气体从电极的气体输入口进入电极中；电极呈空心管状，一端具有气体输入口，另一端具有气体输出口，通过电阻和电容与电源连接。本发明易制作、易维护、使用方便、成本低、易于携带，选择不同阻值的电阻和不同电容值的电容，以及不同的驱动电源和工作气体，产生的等离子体射流温度可以不同，等离子体射流温度接近室温时，人体可以与之安全的接触，同时等离子体射流可以具有多种形状，可以同时向各个方向扩散，并可以实现常温常压下大规模大面积的具体应用。

Description

等离子体射流装置
技术领域
本发明属于等离子体发生装置，具体涉及一种气体放电等离子体射流装置。
背景技术
等离子体通常由正离子、中性粒子和电子组成，一般等离子体可以分为两类：热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡表示等离子体中所有粒子的温度一样。
在非热平衡等离子体中，电子的温度可高达数万度，而离子和中性粒子的温度远小于电子温度，这种“热的冷却物”优点众多，非热平衡等离子体可作为高活性反应物广泛应用于多种领域，如等离子体沉积和镀膜、刻蚀、表面处理、化学净化，生物净化以及医学应用。
大气压下，由于工作气体击穿电压相对较高，通常放电间隙距离非常有限，一般为数毫米至数厘米之间，这直接限制了被处理物品的形状和大小。假如采用等离子体间接处理，由于其中许多活性成份，如氧原子和许多带电粒子寿命非常短暂，以至于还没到达被处理物表面就消失，导致处理效率非常低。为了解决上述问题，最近大气压非热平衡等离子体射流装置备受关注，其可以直接在外界空间中产生等离子体射流，相对于狭窄间隙的放电等离子体具有独特的优势，并可以直接处理物品，同时被处理物品的形状和大小不受任何限制。
以下是几种现有的非热平衡等离子体射流装置：
(1)交流非热平衡等离子体射流装置
Yong Cheol Hong etal.“Microplasma jet at atmospheric pressure”ApplPhysics 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射流的装置，如图1所示，该装置包括电极3、接地电极11、介质圆片13、介质容器12和(交流)电源1，电极3和接地电极11由介质圆片13隔开，并共同置于介质容器12中，(交流)电源1连接电极3和接地电极11；工作时，(交流)电源1调至高压，频率20千赫兹，以3升/秒的流量速度向介质容器12输入工作气体6(氮气)，在电极3和接地电极11间进行放电产生等离子体，并从气体输出口16以约255米/秒的速度喷射出等离子体射流5，等离子体射流5长度6.5厘米，温度接近室温。电极3和接地电极11都与等离子体射流5直接接触，易发生弧光放电，对于牙齿清洗、根管治疗以及伤口辅助愈合等一些实际应用不安全。
类似的装置还有Jialing Zhang etal.“A novel cold plasma jet generatedby atmospheric dielectric barrier capillary discharge”thin solid films506(2007)中描述的一种产生低温等离子体射流的装置，如图2所示，该装置包括电极3、接地电极11、介质容器12、气体调控开关8和(交流)电源1。电极3为钨材料电极，位于介质容器12中央并与(交流)电源1连接，接地电极11紧贴介质容器12外壁，工作气体6从气体输入口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射流5。该装置电极3裸露在外部空间中，并与等离子体射流5直接接触，对于一些实际应用也不安全。
(2)射频非热平衡等离子体射流装置
E stoffels etal.“Plasma needle for in vivo medical treatment：recentdevelopments and perpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006)中，描述了一种射频等离子体针装置，如图3所示，该装置包括电极3、介质容器12、绝缘介质层17、电源(射频)1。绝缘介质层17为直径4毫米的陶瓷管。电源1为10兆赫兹的射频电源，与电极3相连。电极3为直径0.3毫米的钨丝，放置于绝缘介质层17中央，顶端不包含于绝缘介质层17内，裸露于外部空间中，并与绝缘介质层17一起由固定架14固定于介质容器12中央，工作气体6从气体输入口7输入。操作时能产生相应直径为2.5毫米的等离子体射流5。该装置的电极3顶端部分暴露于外部空间中，并与等离子体射流5直接接触，产生的等离子体射流5长度短、温度较高，距离电极3尖端1.5毫米和2.5毫米处的等离子体射流5温度分别为90摄氏度和50摄氏度。
(3)微波非热平衡等离子体射流装置
由于磁电管微波发生器产生等离子体装置结构程序复杂，产生的等离子体射流温度高，长度短，具体应用范围相对较窄，不详细介绍。
(4)脉冲直流非热平衡等离子体射流装置
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 atmopheric pressure plasmagenerated by submicrosecond voltage pulses”J Appl.Phys 100.063302(2006)中，描述了一种等离子体笔装置，如图4所示，该装置包括电极3、接地电极11、介质容器12、介质圆片13、介质圆环15、电源1。电极3和接地电极11均为相同尺寸的金属圆环，分别粘贴于两块介质圆片13上，之间隔有介质圆环15，并一起位于介质容器12前端。工作气体6为氦气，电源1为脉冲直流电源。操作时能产生5厘米长的等离子体射流5，等离子体射流5温度接近室温。该装置不足之处在于一定条件下，比如电压脉宽高于10us时电极3和接地电极11间可能发生电弧放电。
如上所述，现有装置都各自存在类似的不足。类似的缺陷也同样存在于最近的一些等离子体射流产生方法、装置和系统中，例如美国专利号为5369336“Plasma Generating Device”Hideomi Koinuma et al，专利号6262,523“Large area atmospheric-Pressure Plasma Jet”by Gary S.Selwynet al，和专利号7271363“Portanle microwave plasma systems including asupply line for gas and microwaves”by Lee et al.这些因素都大大的限制了现有等离子体射流技术及装置的广泛应用。
发明内容
本发明提供一种等离子体射流装置，解决现有等离子体射流装置存在的电极不安全或电极和接地之间可能发生电弧放电的问题。
本发明的一种等离子体射流装置，包括电源、工作气体源、电极、气体调控开关，气体调控开关控制工作气体源的工作气体从电极的气体输入口进入电极中；其特征在于：
电极通过串联的电阻和电容与电源连接；
所述电极呈空心管状，一端具有气体输入口，另一端具有气体输出口。
所述的等离子体射流装置，所述电极可以具有多个气体输出口。
所述的等离子体射流装置，所述电极气体输出口的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
所述的等离子体射流装置，所述电极的侧面可以具有通气孔。
所述的等离子体射流装置，其进一步特征在于：
所述电极套接在呈空心管状的介质容器上，或者嵌接于呈空心管状的介质容器内，介质容器具有气体输入、输出口。
上述的等离子体射流装置，所述介质容器也可以具有多个气体输出口。
所述的等离子体射流装置，所述电极的气体输出口套接有导电材料构成的喷嘴；
喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
所述的等离子体射流装置，所述喷嘴侧面可以具有通气孔。
本发明工作时，电阻和电容主要起控制施加在电极上的电压以及放电电流的作用，选择不同阻值的电阻和不同电容值的电容，电极气体输出口或喷嘴前端空间场强以及放电电流可以不同，产生的等离子体射流温度可接近室温或高于室温，产生的等离子体射流长度可变，等离子体射流的径向截面可大可小。产生射流温度接近室温时，人体可以安全的与之接触。而且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，有利于增加等离子体射流中活性成份的种类和数量。本发明易制作、易维护、使用方便、成本低、易于携带，具有多种实际应用，比如刻蚀、沉积、表面处理、表面清洗、净化、食物处理、牙齿清洗以及根管治疗等。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，产生的等离子体射流温度可以改变，可以低于室温、接近室温或高于室温。同时采用不同构造的喷嘴，喷射出来的等离子体射流可以具有多种形状，同时可以向各个方向扩散，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。
附图说明
图1为现有一种交流非热平衡等离子体射流装置示意图；
图2为现有另一种交流非热平衡等离子体射流装置示意图；
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(a)、图9(b)为各实施例均可采用的电极的径向截面图，图9(a)电极上有6个气体输出口，分两排平行排列；图9(b)电极上有9个气体输出口，分三排平行排列；
图10(a)、图10(b)分别为各实施例均可采用的电极的径向截面图和侧视图，电极上有10个通气孔，分两排平行排列。
图11(a)、图11(b)为喷嘴的径向截面示意图，图11(c)为喷嘴的侧视图。
具体实施方式
以下根据附图对本发明进一步说明。
如图5所示为本发明的第一个实施例，包括电源1、工作气体源2、电极3、电阻9、电容10，由不锈钢制成的电极3通过电阻9和电容10与电源1相连；电极3呈空心管状，其上有气体输入口7和气体输出口16。通过气体调控开关8控制工作气体源2的工作气体6从气体输入口7进入电极3中，产生的等离子体射流5从电极3的气体输出口16喷出。
调节气体调控开关8，工作气体6(氦气)从工作气体源2以0.4升/分钟流量通入电极3，电阻9为8千欧，电容10为1皮法；电源1为交流电源，电压幅值为5千伏，频率38千赫兹；由于电极3的气体输出口16前端的外部空间场强高，发生气体放电，产生等离子体射流5，其温度接近室温，人体的手可以直接接触。
图6为本发明第二个实施例结构示意图：包括电源1、工作气体源2、电极3、电阻9、电容10和介质容器12，由铜制成的电极3通过电阻9和电容10与电源1相连；电极3和介质容器12均呈空心管状，电极3套接在聚氯乙烯制成的介质容器12的气体输出口；电极3上有喷嘴4，通过气体调控开关8控制工作气体源2的工作气体6从气体输入口7进入介质容器12中。产生的等离子体射流5从喷嘴4喷出。
调节气体调控开关8，工作气体6(氮气)从工作气体源2以2.0升/分钟流量通入介质容器12，电阻9为500欧，电容10为0.5皮法；电源1为交流射频电源，电压幅值为500伏，频率13.65兆赫兹。
图7为本发明第三个实施例结构示意图，包括电源1、工作气体源2、电极3、电阻9、电容10和介质容器12；由铝制成的电极3通过电阻9和电容10与电源1相连；电极3和介质容器12均呈空心管状，电极3嵌接于氧化铝陶瓷制成的介质容器12内；喷嘴4为独立结构，由不锈钢制成，套接在电极3的气体输出口。通过气体调控开关8控制工作气体源2的工作气体6从气体输入口7进入介质容器12中，产生的等离子体射流5从喷嘴4喷出。
调节气体调控开关8，工作气体6(氩气)从工作气体源2以1.0升/分钟流量通入介质容器12，电阻9为6千欧，电容10为3皮法；电源1为脉冲直流电源，施加脉冲直流电压幅值为6千伏，频率4千赫兹，脉宽200纳秒。
上述实施例中，电极3还可以由钨等导电性材料制成；介质容器12还可以由塑料、石英玻璃、派克拉斯玻璃等其它绝缘材料制成，形状以及尺寸根据具体实际应用确定。
图5的第一个实施例中，电极3的气体输出口16也可以与具有拟合接口的喷嘴相套接。图6的第二个实施例中，喷嘴4也可以为钨、铜、铝或不锈钢等导电材料构成的独立结构，具有与电极3相拟合连接的接口；
图8为本发明第四个实施例结构示意图，包括电源1，工作气体源2，电极3，电阻9，电容10和介质容器12；聚氯乙烯制成的介质容器12呈空心管状，其上有9个气体输出口，分三排平行排列；9个不锈钢制成的电极3分别套接于介质容器12的各个气体输出口；每个电极3上有喷嘴4，多个电极3相互连通，通过电阻9和电容10与电源1相连；气体调控开关8控制工作气体6从气体输入口7进入介质容器12中，产生的等离子体射流5从喷嘴4喷出。。
调节气体调控开关8，工作气体6(空气)从工作气体源2以1.0升/分钟流量通入电极3，电阻9为20千欧，电容10为30皮法；电源1为脉冲直流电源，施加脉冲直流电压幅值为10千伏，频率10千赫兹，脉宽200纳秒。
其中各电极3也可以分别通过一对电阻9和电容10与电源相连，可以产生强度和温度各不相同的等离子体射流5。
图9为实施例1～4中均可采用的电极的径向截面图，图9(a)为电极3上有6个气体输出口16，分两排平行排列，每个气体输出口均可套接喷嘴4；图9(b)为电极3上有9个圆锥状气体输出口16，分三排平行排列。
图10(a)、图10(b)分别为一种空心管状电极的径向截面图和侧视图，电极3径向截面为圆形，电极侧面有10个通气孔3.1，分两排平行排列。
图11(a)、图11(b)分别为径向截面是圆形和跑道形的喷嘴，适用于产生细棒状和片状等离子体射流。
图11(c)表示喷嘴4侧面有通气孔4.1，适用于上述所有的实施例，通气孔4.1的形状和数量根据实际需要确定，例如，通气孔4.1形状为圆形，数量为15个。通气孔4.1可以使产生的等离子体向各个方向扩散，可以提高具体应用如牙齿根管治疗或材料表面清理的处理效果。
以上实施例中，电极3的气体输出口或喷嘴的径向截面形状可以为圆形，椭圆形，跑道形，矩形，多边形之中的一种，根据具体实际应用确定。
电阻9阻值应大于1欧姆，电容10电容值应小于10法。
当电源1为交流电源时，施加交流电压幅值范围可以为220伏～60千伏，频率50赫兹～13.65兆赫兹；电源1为脉冲直流电源时，施加脉冲直流电压幅值范围可以为220伏～50千伏，频率50赫兹～100兆赫兹，脉宽大于或等于1纳秒。产生的等离子体射流长度大于0.1毫米，温度可接近室温或高于室温。

Claims (12)

1.一种等离子体射流装置，包括电源、工作气体源、电极、气体调控开关，气体调控开关控制工作气体源的工作气体从电极的气体输入口进入电极中；其特征在于：
电极通过串联的电阻和电容与电源连接；
所述电极呈空心管状，一端具有气体输入口，另一端具有气体输出口。
2.如权利要求1所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极具有多个气体输出口。
3.如权利要求1或2所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极的侧面具有通气孔。
4.如权利要求1或2所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极气体输出口的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
5.如权利要求1或2所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极套接在呈空心管状的介质容器上，或者嵌接于呈空心管状的介质容器内，介质容器具有气体输入、输出口。
6.如权利要求5所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述介质容器具有多个气体输出口。
7.如权利要求1或2所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极的气体输出口套接有导电材料构成的喷嘴；
喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
8.如权利要求3所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极的气体输出口套接有导电材料构成的喷嘴；
喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
9.如权利要求5所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极的气体输出口套接有导电材料构成的喷嘴；
喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
10.如权利要求6所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述电极的气体输出口套接有导电材料构成的喷嘴；
喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。
11.如权利要求7所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述喷嘴侧面具有通气孔。
12.如权利要求8、9或10所述的等离子体射流装置，其特征在于：
所述喷嘴侧面具有通气孔。
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