CN102149247A - 多级电离产生低能量高密度等离子体的装置及方法 - Google Patents

多级电离产生低能量高密度等离子体的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种多级电离产生低能量高密度等离子体装置及方法。装置分三级：第一级由针尖电极与金属棒电极组成，第二级由筒状金属电极与金属棒电极组成，第三级由金属网电极与金属棒电极组成。多级电离产生低能量高密度等离子体方法：通入5～50m3/h气体，气体在第一级50～100W电源功率作用下初步电离，初步电离出的等离子体经第二级50～150W电源功率的电离产生较大密度且较均匀的等离子体，第一、二级电离出的等离子体经第三级50～150W电源功率的电离与此级对气流的扰动，最终，在低功率输入作用下喷出电子能量不超过1ev、电子密度量级高达1022/m3、截面直径为15～20mm的均匀非平衡态等离子体射流。

Description

多级电离产生低能量高密度等离子体的装置及方法
技术领域
本发明属于等离子体科技领域，涉及一种多级电离产生低能量高密度等离子体的方法及装置。
背景技术
大气压非平衡态等离子体射流在燃烧、表面电磁特性改变、材料表面处理等工程技术领域具有重要应用意义，综合国内外目前研究报道的大气压非平衡态等离子体射流的一些不足之处，其中大气压射流等离子体形成面积和体积较小的劣势尤为明显(一般集中在毫米量级)，制约了该技术的广泛应用，实际应用往往需要大面积的等离子体，所以如何扩大等离子体处理面积也是大气压等离子体射流技术亟待解决的一个问题。研究人员为得到大面积的大气压非平衡态等离子射流，已经使用了阵列化的等离子射流，但这只是从增加等离子体射流的数量上来获得更大面积的等离子体，并且仅仅通过增加阵列数量也遇到了种种难题。采用多级电离的方式，可以扩大等离子体的射流面积，并且，等离子体的电子密度也得到大幅度提升。
发明内容
技术问题：为得到低能量高密度且大面积的等离子，本发明提出了一种多级电离的方法及装置。每级输入能量均较低，单纯一级的电离作用不能得到均匀、大面积而又有较高电子密度的等离子体，本发明通过多级电离的方式实现了等离子体射流的均匀、高密度、大面积化。
技术方案：本发明的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置有三级电离工作区域：第一级由针尖电极与金属棒电极通过第一高压高频电源形成放电回路；第二级由筒状金属电极与金属棒电极通过第二高压高频电源形成放电回路，第三级由金属丝网电极与金属棒电极通过第三高压高频电源组成放电回路；每级
电极均固定在绝缘装置形成的管道上，金属棒电极设在绝缘管道中，并且与绝缘管道同轴线设置，在金属棒电极与绝缘管道之间形成可以流动气体的环形空间。
第一级电离区域为多个针尖电极分别通过电源与金属棒电极形成放电回路，此级针尖电极至少为一个，第一高压高频电源峰值电压不低于6kV，频率不低于20kHz。
第二级电离部分的筒状金属电极其内径为25～30mm，金属棒电极直径为15～20mm，其中筒状电极内壁喷涂有一层高介电系数的高分子材料，这种材料对筒状电极内的电场起稳定和增强的作用，进而形成介质阻挡放电，第二高压高频电源峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz。
第三高压高频电源峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz。
金属棒电极的前端为光滑的半球状，金属丝网电极要有尽量大的展开面积。
各针尖电极之间互相绝缘，针尖电极、筒状金属电极，网状电极之间互相绝缘。
本发明的多级电离装置产生低能量高密度等离子体方法为：将所述装置通入5～50m3/h气体，气体在第一级50～100W电源功率作用下初步电离，初步电离出的等离子体经第二级50～150W电源功率的电离产生较大密度且较均匀的等离子体，第一、二级电离出的等离子体经第三级50～150W电源功率的电离与此级对气流的扰动，最终，在低功率输入作用下喷出电子能量不超过1ev、电子密度量级高达1022/m3、截面直径为15～20mm的均匀非平衡态等离子体射流。
气体通过装置第一级的初步电离，产生出电子密度不均的等离子体，此部分等离子体为第二级的气体电离提供初始电子；在气流的带动下，第一级电离出的等离子体到达第二级，通过第二级的再次电离，产生了较均匀并且有较大密度的等离子体，此部分等离子体为第三级的气体电离提供初始电子；在气流的带动下，第一、二级电离出的等离子体到达第三级，通过第三级的再次电离与此级对气流的扰动，得到均匀、大面积而又有较高电子密度的等离子体。
有益效果：
一、等离子体射流面积得到大幅度提升，射流截面直径达到20mm，扩大了实际工程和工业使用范围和场合；
二、消耗电能少，有效节约能量，所产生的非平衡态等离子体能量低，整体宏观温度与室温几乎相当，电子温度不超过1ev，这不仅避免大功率设备的使用，
同时满足实际工业应用中对低温的非平衡态等离子体的需要；
三、得到均匀且高电子密度的等离子体，电子密度量级高达1022/m3，电子密度高，活性物种含量多，提高了工业和工程过程的效率和质量。
附图说明
图1为本发明装置总体结构图，包括各级放电极的位置分布与结构；
图2为放电一级的截面结构图；
图3为放电二级的截面结构图。
以上的图中有：开关1、第一高压高频电源2、进气口3、第二高压高频电源4、第三高压高频电源5、针尖电极6、金属棒电极7、筒状金属电极8、金属丝网电极9、绝缘管道10。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3，对本发明作详细说明：
如图1所示，在本装置中通入流量稳定的气体，气体依次通过装置的各放电级，其中第二级针尖电极以六个为例加以说明。
首先，装置通入流量为5～50m3/h的气体并接通第一级高频高压交变电源开关1，气体通过如图2所示环形通道，六针尖电极6与金属棒电极7分别在六个第一高频高压电源2的作用下形成放电回路（此级电源峰值电压不低于6kV，频率不低于20kHz），使通过第一级放电极的气体在高频高压电源50～100W功率作用下得到初步电离，产生出密度不均的等离子体，此部分等离子体为第二级的电离提供初始电子；然后，接通第二级高频高压交变电源开关，如图3所示，内径为25～30mm的筒状金属电极8与直径为15～20mm的金属棒电极7在第二高频高压电源4作用下形成放电回路（此级的电源峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz），第一级电离出的等离子体在第二级50～150W功率作用下得到第二次电离，电离出较均匀并且有较大密度的等离子体，此部分等离子体为第三级的电离提供初始电子，其中，此处筒状电极内壁喷涂有一层高介电系数的高分子材料，这种材料对筒状电极内的电场起到稳定和增强的作用，进而形成介质阻挡放电；第三步，接通第三级高频高压交变电源开关，金属丝网状电极9与金属棒电极7在第三高频高压电源5作用下形成放电回路（此级的电源峰值电压不低
于10kV，频率不低于20kHz），经第一、二级电离出的等离子体在第三级50～150W功率的作用下得到第三次电离，并由于第三级金属棒头对气流的扰动作用，最终，在低功率输入作用下喷出电子能量不超过1ev、电子密度量级高达1022/m3、截面直径为15～20mm的均匀非平衡态等离子体射流。

Claims (7)

1.一种多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于该装置有三级电离工作区域：第一级由针尖电极(6)与金属棒电极(7)通过第一高压高频电源(2)形成放电回路；第二级由筒状金属电极(8)与金属棒电极(7)通过第二高压高频电源(4)形成放电回路，第三级由金属丝网电极(9)与金属棒电极(7)通过第三高压高频电源(5)形成放电回路；每级电极均固定在绝缘管道(10)形成的管道上，金属棒电极(7)设在绝缘管道(10)中，并且与绝缘管道(10)同轴线设置，在金属棒电极(7)与绝缘管道(10)之间形成可以流动气体的环形空间。
2.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，第一级电离区域为多个针尖电极分别通过电源与金属棒电极形成放电回路，此级针尖电极至少为一个，第一高压高频电源(2)峰值电压不低于6kV，频率不低于20kHz。
3.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，第二级电离部分的筒状金属电极(8)其内径为25～30mm，金属棒电极(7)直径为15～20mm，其中筒状电极内壁喷涂有一层高介电系数的高分子材料，这种材料对筒状电极内的电场起稳定和增强的作用，进而形成介质阻挡放电，第二高压高频电源(4)峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz。
4.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，第三高压高频电源(5)峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz。
5.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，金属棒电极(7)的前端为光滑的半球状，金属丝网电极(9)要有尽量大的展开面积。
6.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，各针尖电极之间互相绝缘，针尖电极、筒状金属电极、网状电极之间互相绝缘。
7.一种用于权利要求书1所述的多级电离装置产生低能量高密度等离子体方法，其特征在于：将所述装置通入5～50m3/h气体，气体在第一高压高频电源(2)50～100W功率作用下初步电离，初步电离出的等离子体通过第二高压高频电源50～150W电源功率的电离产生较均匀且有较大密度的等离子体，第一、二高压高频电源电离出的等离子体通过第三高压高频电源50～150W电源功率的电离与此级对气流的扰动。最终，在低功率输入的作用下喷出电子密度量级高达1022/m3截面直径为15～20mm的均匀非平衡态等离子体射流。
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