CN102215626B - 一种可在较低电压条件下产生放电等离子体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种产生放电等离子体的装置，包括：放电电极；对紫外线透明的密闭容器，放置在放电电极的附近，密闭容器中封有可产生紫外线的气体。本发明提供的产生放电等离子体的装置既可利用惰性气体提供种子电子的功能，又不大量地消耗这些昂贵的气体，适于工业化应用。

Description

一种可在较低电压条件下产生放电等离子体的装置

技术领域

本发明涉及一种产生放电等离子体的装置，尤其涉及一种在较低电压条件下产生电晕放电或介质阻挡放电(DBD)的装置，可用于在较低的温度(室温附近)条件下处理各种材料(特别是对温度敏感的材料，如生物材料、聚合物材料等)的表面，也可以用于较高气压(大气压附近)条件下的薄膜材料的沉积或刻蚀。

背景技术

近几十年来，由于人们的环境意识越来越强，工业上环境友好的工艺受到了普遍的欢迎，甚至有来自法律层面的要求。与通常的湿法工艺相比，低温等离子体对各种材料表面处理的方法对环境更友好，因此在近些年来也受到更多的重视。一般来说为了获得大面积均匀的效果，低温等离子体工艺通常要求在低气压下完成。例如，工艺气体压强在1Pa左右，而系统的本底压强通常要求在10-3Pa以下。因此低温等离子体工艺系统的成本有相当大一部分是用于真空的获得、测量和维护上了。为了减少在真空系统上的投资，人们开发出了大气压下的低温等离子体系统，利用介质阻挡放电(DBD)或电晕放电方法产生等离子体就是一些例子。目前，大多获得大气压均匀放电的方法主要是采用氦气(或氩气)作为放电气体，再掺入少量(1％左右)的工作气体。由于氦气或氩气等惰性气体很贵，而工作气体又少，因此这样的方法是不适宜于大规模的工业应用的。

在近几年对气体放电的研究中发现，惰性气体作为放电气体是因为它们有两个共同的特点：一是电正性，即在放电中不会吸附电子，因此有效电离系数较大；二是它们都有一个较高能量的准稳态，通过潘宁过程或辐射紫外线为放电提供种子电子。当这些惰性气体与工作气体混合进行放电时，惰性气体的上述特性可以使得在较低的电压下维持放电，或产生均匀的放电。由于工作气体需要不断地补充，按一定比例混合的惰性气体(通常情况下，惰性气体占混合气体的绝大部分)就需要被不断地消耗。对于大多数目的等离子体表面处理来说，这些惰性气体仅仅起到辅助放电的作用，而起功能作用的还是那些工作气体(如氧气、氨气、甲烷等，根据表面处理的不同需求而定)，换句话说，这些昂贵的惰性气体大多都白白地浪费掉了。因此，如何既利用了惰性气体提供种子电子的功能，又不大量地消耗这些昂贵的气体是本领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生放电等离子体的装置，既可利用惰性气体提供种子电子的功能，又不大量地消耗这些昂贵的气体。

本发明提供一种产生放电等离子体的装置，包括：

放电电极；

对紫外线透明的密闭容器，放置在放电电极的附近，密闭容器中封有可产生紫外线的气体。

根据本发明提供的装置，其中放电电极的形状为针状、管状、线状、平面状或刀口状。

根据本发明提供的装置，其中放电电极被连接到交流电源或直流电源。

根据本发明提供的装置，其中密闭容器由玻璃或石英制成，密闭容器中封有氦、氖、氩、氙或这些气体的混合气体。

根据本发明提供的装置，其中密闭容器的周围具有电极，该电极接地或连接到交流电源。

根据本发明提供的装置，其中密闭容器周围的电极被制作成反射紫外线的反射镜。

根据本发明提供的装置，其中密闭容器周围的电极为环状或管状。

根据本发明提供的装置，其中密闭容器为环状、管状或平板夹层状。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1a为根据本发明的实施例1的产生放电等离子体的装置的剖面示意图；

图1b为根据本发明的实施例1的又一个产生放电等离子体的装置的剖面示意图；

图1c为根据本发明的实施例1的再一个产生放电等离子体的装置的剖面示意图；

图2a为根据本发明的实施例2的产生放电等离子体的装置的结构示意图；

图2b为根据本发明的实施例2的又一个产生放电等离子体的装置的结构示意图；

图2c为根据本发明的实施例2的再一个产生放电等离子体的装置的结构示意图；

图3为根据本发明的实施例3的产生放电等离子体的装置的结构示意图。

图4为根据本发明的实施例4的产生放电等离子体的装置的剖面示意图。

具体实施方式

本发明将能在较低电压条件下产生紫外线的气体(如氦、氖、氩、氙等气体或按一定比例混合的混合气体)封入一透明的密闭容器中，并将其置于放电电极附近，当放电电极加上电压后，首先使得密闭容器中的气体放电产生等离子体，并产生强烈的紫外辐射，这些紫外辐射使周边的工作气体产生少量的电离或激发态粒子，为放电空间的放电提供了一定浓度的种子电子，从而实现在较低电压下的放电或大体积的均匀放电。

下面提供几种不同的实施例，在这些实施例中，放电电极的形状、结构有所不同。这些实施例仅为示例性的，根据本发明对下列实施例做出的改进对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此同样落入本发明的范围。

实施例1

图1a为本实施例提供的一种产生放电等离子体的装置，包括：

放电端为针状的放电电极1，连接到交流电源4；

对紫外线透明的密闭容器2，呈环状，放置在放电电极1的附近，围绕放电电极1的针状端，密闭容器2中封有氦、氖、氩、氙等在较低电压条件下可产生紫外线的气体或这些气体的混合气体。

在针状电极1上加交流电压后，密闭容器2中的气体首先放电，其发射的紫外线激发周边气体电离产生种子电子，并进而在针状电极周边产生电晕放电，放电产生的活性粒子(包括各种离子、激发态粒子、基团、紫外线等)可以处理工件3的表面(包括表面改性，薄膜材料沉积或刻蚀等)。

图1b中所示的产生放电等离子体的装置为图1a中所示的产生放电等离子体的装置的一个改进。如图1b所示，其与图1a的区别在于增加了一个环状电极5，环状电极5接地并围绕密闭容器2，使密闭容器2位于放电电极1与环状电极5之间，从而产生DBD放电，放电强度将比图1a所示装置的电晕放电更大。另外，管状电极还可以做成反射镜，起到反射紫外线的作用，使得紫外线的利用率更高。

图1c中所示的产生放电等离子体的装置为图1b中所示的产生放电等离子体的装置的进一步改进。图1c中所示的产生放电等离子体的装置中，交流电源4连接到环状电极5，以控制密闭容器2中的气体的放电强度，直流电源6连接到放电电极1，以控制对被处理工件3的放电强度。直流电源6上还并联有滤波电容器7，以减小或消除交流电源4对直流电源6的干扰。

另外，根据本发明的一个实施例，也可将图1c所示装置中的直流电源6用交流电源代替。

实施例2

图2a为本实施例提供的一种产生放电等离子体的装置，包括：

放电端为管状的放电电极8，连接到交流电源4，工作气体9可以通过管状放电电极8被输送到放电区，并形成面向被处理工件3表面的气流；

对紫外线透明的密闭容器2，呈管状，放置在放电电极1的附近，围绕放电电极8的放电端，密闭容器2中封有氦、氖、氩、氙等在较低电压条件下可产生紫外线的气体。

在管状放电电极8上加交流电压后，密闭容器2中的气体首先放电，其发射的紫外线激发周边气体电离产生种子电子，并进而产生电晕放电，放电产生的活性粒子(包括各种离子、激发态粒子、基团、紫外线等)可以处理工件3的表面(包括表面改性，薄膜材料沉积或刻蚀等)。

图2b中所示的产生放电等离子体的装置为图2a中所示的产生放电等离子体的装置的一个步改进。如图2b所示，其与图2a的区别在于增加了一个环状电极5，环状电极5接地并围绕密闭容器2，使密闭容器2位于放电电极8与环状电极5之间，从而产生DBD放电，放电强度将比图2a所示装置的电晕放电更大。另外，管状电极还可以做成反射镜，起到反射紫外线的作用，使得紫外线的利用率更高。

图2c中所示的产生放电等离子体的装置为图2b中所示装置的进一步改进。图2c中所示的装置中，交流电源4连接到环状电极5，以控制密闭容器2中的气体的放电强度，直流电源6连接到放电电极8，以控制对被处理工件3的放电强度。直流电源6上还并联有滤波电容器7，以减小或消除交流电源4对直流电源6的干扰。

另外，根据本发明的一个实施例，也可将图2c所示装置中的直流电源6用交流电源代替。

实施例3

图3为本实施例提供的一种产生放电等离子体的装置，包括：

放电端为刀口状的放电电极1，连接到交流电源(图3中未示出)；

对紫外线透明的密闭容器2，呈管状，放置在放电电极1的附近，紧密围绕放电电极1的刀口状放电端，密闭容器2中封有氦、氖、氩、氙等在较低电压条件下可产生紫外线的气体。

在放电电极1上加交流电压后，密闭容器2中的气体首先放电，其发射的紫外线激发周边气体电离产生种子电子，并进而产生电晕放电，放电产生的活性粒子(包括各种离子、激发态粒子、基团、紫外线等)可以处理工件3的表面(包括表面改性，薄膜材料沉积或刻蚀等)。令被处理工件相对于该刀口状放电电极运动，可连续地处理大面积的或卷绕的样品，如玻璃或塑料薄膜、纺织品等。

另外，像图1b、1c和图2a、2c所示的那样，可在密闭容器2外面加一电极，该电极接地并围绕密闭容器2，使密闭容器2位于放电电极1与该电极之间，从而产生DBD放电。另外，该电极还可以做成反射镜，起到反射紫外线的作用，使得紫外线的利用率更高。该电极也可以不接地，而是连接到交流电源。

为了清晰起见，图3中未示出产生放电等离子体的装置的电源连接方式，但是本领域技术人员可容易地想到，将实施例1和实施例2中的电源连接方式应用到本实施例中。

实施例4

图4为本实施例提供的一种产生放电等离子体的装置的剖面示意图，包括：

平板状的放电电极1，连接到交流电源4；

对紫外线透明的密闭容器2，呈平板夹层状，放置在放电电极1的上面，紧密接触放电电极1，密闭容器2中封有氦、氖、氩、氙等在较低电压条件下可产生紫外线的气体。

在放电电极1上加交流电压后，密闭容器2中的气体首先放电，其发射的紫外线激发周边气体电离产生种子电子，并进而产生电晕放电，放电产生的活性粒子(包括各种离子、激发态粒子、基团、紫外线等)可以处理工件3的表面(包括表面改性，薄膜材料沉积或刻蚀等)。令被处理工件相对于该刀口状放电电极运动，可连续地处理大面积的或卷绕的样品，如玻璃或塑料薄膜、纺织品等。

根据本发明的一个实施例，其中放电电极的形状不局限于上述实施例中所述的针状、管状或刀口状，也可以是其它能够发生放电效应的形状。

根据本发明的一个实施例，对紫外线透明的密闭容器可以由石英制成，其形状和位置不局限于上述实施例中所述的形状和位置，只要密闭容器中的气体可在放电电极的电场作用下发出紫外线即可。

根据本发明的一个实施例，其中围绕密闭容器的电极的形状和位置不局限于上述实施例中所述的形状和位置，只要使密闭容器位于放电电极与该电极之间即可。

根据本发明的一个实施例，其中交流电源可以是正弦波、方波、三角波或脉冲电源。

根据本发明的一个实施例提供的产生放电等离子体的装置可用于在任何气压及温度条件下产生等离子体，既可利用惰性气体提供种子电子的功能，又不大量地消耗这些昂贵的气体，适于工业化应用，与没有紫外增强的放电相比，可降低产生放电所需的电压，并提高放电效率。

应该说明的是，如果被处理材料是绝缘的，或者在放电电极表面覆盖绝缘层则可以很容易在放电电极与被处理工件之间形成DBD放电。在上述紫外线增强的条件下，可以降低DBD放电的维持电压，增强放电的均匀性，以及提高放电的效率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种产生放电等离子体的装置，包括：

放电电极；

对紫外线透明的密闭容器，放置在放电电极的附近，密闭容器中封有可产生紫外线的气体，

其中放电电极通电后，密闭容器中的气体首先放电，其发射的紫外线激发密闭容器周边的工作气体电离而产生种子电子，并进而产生放电，放电产生的活性粒子被用于处理工件表面。

2.根据权利要求1所述的装置，其中放电电极的放电端为针状、管状、线状、平板状或刀口状。

3.根据权利要求1所述的装置，其中放电电极被连接到交流电源或直流电源。

4.根据权利要求1所述的装置，其中密闭容器由玻璃或石英制成。

5.根据权利要求1所述的装置，其中密闭容器中封有氦、氖、氩、氙或这些气体的混合气体。

6.根据权利要求1所述的装置，其中密闭容器的周围具有电极。

7.根据权利要求6所述的装置，其中密闭容器周围的电极接地或连接到交流电源。

8.根据权利要求6所述的装置，其中密闭容器周围的电极被制作成反射紫外线的反射镜。

9.根据权利要求6所述的装置，其中密闭容器周围的电极为环状或管状。

10.根据权利要求1所述的装置，其中密闭容器为环状、管状或平板夹层状。

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