CN102254774B

CN102254774B - 一种活性气体流的发生装置及其产生活性气体流的方法

Info

Publication number: CN102254774B
Application number: CN 201110139739
Authority: CN
Inventors: 江南; 曹则贤; 纪爱玲
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: CN102254774A

Abstract

本发明提供一种活性气体流发生装置，包括：介电材料管，其内部流过工作气体；高压电极，与介电材料管相接触，并连接到交流电压源；第一地电极，在高压电极的下游与介电材料管相接触，其中所述交流电压源向高压电极提供低于预定阈值电压的电压，以产生活性气体流。本发明还提供一种产生活性气体流的方法，包括：向介质材料管中通入工作气体；向高压电极上施加一低于阈值电压的电压，以使得介电材料管的出口流出中性活性气体。

Description

一种活性气体流的发生装置及其产生活性气体流的方法

技术领域

本发明涉及一种活性气体流的发生装置及其产生活性气体流的方法，可产生中性活性气体射流，特别适用于生物样品或对环境敏感的各种样品表面的处理。

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)方法产生等离子体射流就是其中之一。图1是现有技术中的DBD等离子体射流装置的示意图。DBD等离子体射流装置包括在一根内部流过工作气体006(如Ar、He、CH4等，或混合气体)的介电材料管004(如石英或陶瓷管)，介电材料管外围绕有金属箔，分别作为高压电极002和地电极001，高压电极上加有交流高压(脉冲，正弦波，或其它波形)且靠近介电材料管004的出口，地电极接地且靠近介电材料管004的入口(即地电极001位于气流的上游)，当交流电压足够高时会在高压电极002附近和两电极之间形成放电等离子体区007，并在管外形成等离子体射流008，该等离子体射流可以被用于处理各种材料的表面。

在大多数情况下，低温等离子体化学系统中起重要作用的是等离子体中形成的中性活性粒子，如各种分子碎片、基团、准分子、激发态原子或分子等，而等离子体中的离子、特别是高能离子在许多情况下会对表面产生损伤。例如在使用等离子体射流直接对人体的某些器官或皮肤进行处理时，虽然等离子体射流流经人体的电流非常小，但仍然会使人感到不适。因此，如何将等离子体中产生的中性活性成分提取出来而将离子等高能的荷电粒子留在放电区，成为本领域有待解决的一个重要问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种活性气体流发生装置及其产生活性气体流的方法，能够将等离子体中产生的中性活性成分提取出来用于材料表面处理，而将离子等高能的荷电粒子留在放电区，为低温等离子体应用于环境敏感材料的表面处理或表面改性提供了可能。

本发明提供了一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管，其内部流过工作气体；

高压电极，与介电材料管相接触，并连接到交流电压源；

第一地电极，在高压电极的下游与介电材料管相接触，

其中所述交流电压源向高压电极提供低于预定阈值电压的电压，以产生活性气体流。

根据本发明提供的活性气体流发生装置，其中第一地电极围绕在介电材料管的外周。

根据本发明提供的活性气体流发生装置，其中高压电极围绕在介电材料管外周。

根据本发明提供的活性气体流发生装置，其中高压电极与介电材料管共同构成气体通路，高压电极直接与放电气体相接触。

本发明还提供另一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管，其内部流过工作气体；

高压电极，围绕在介电材料管外周，并连接到交流电压源；

第一地电极，在高压电极的下游与介电材料管相接触，并与介电材料管一起形成工作气体通路。

根据本发明提供的活性气体流发生装置，还包括第二地电极，第二地电极在高压电极的上游与介电材料管相接触。

本发明还提供一种产生活性气体流的方法，包括：

1)向介质材料管中通入工作气体；

2)向高压电极上施加一低于阈值电压的电压，以使得介电材料管的出口流出中性活性气体。

根据本发明提供的产生活性气体流的方法，其中步骤2)包括：利用交流电压源向高压电极上施加电压，以在介电材料管中起辉而形成放电等离子体区；调整施加到高压电极上的电压，使放电等离子体区的边界在介电材料管的出口以内。

根据本发明提供的产生活性气体流的方法，其中步骤2)包括：调整施加到高压电极上的电压，同时检测介电材料管出口流出的气体，直到该气体中不含荷电粒子。

本发明还提供一种产生活性气体流的方法，包括：

1)向介质材料管中通入工作气体；

2)向高压电极上施加电压，以使得介电材料管的出口流出中性活性气体。

本发明提供的活性气体流发生装置及其产生活性气体流的方法能够使活性气体的温度基本保持在常温下(即气体温度主要由输入的工作气体的温度决定)，不含或只含有极少量的荷电粒子(例如＜10⁵cm^-3)，对表面不会产生由于荷电粒子对表面的轰击形成的损伤，也不会使被处理表面荷电，由于其不含荷电粒子，并具有扩散性，因此特别适合处理具有三维特性的表面，并具有较大的均匀处理区。

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1为现有技术中的DBD等离子体射流装置的剖面示意图；

图2为根据本发明实施例1的活性气体流发生装置的剖面示意图；

图3为根据本发明实施例2的活性气体流发生装置的剖面示意图；

图4为根据本发明实施例3的活性气体流发生装置的剖面示意图；

图5为根据本发明实施例4的活性气体流发生装置的剖面示意图。

具体实施方式

本专利申请的发明人研究发现，如图1所示的等离子体射流装置中，电极极性的不同安排会产生两种不同类型的等离子体射流，虽然这两种射流的外观没有大的区别，但是各自的形成机理是不同的。

当加有交流高压的高压电极靠近介电材料管的气流出口、地电极靠近介电材料管的气流入口(即地电极位于气流的上游)时，等离子体射流是由高压电极的电晕放电形成的，而与地电极没有直接的关系，这时甚至可以取消该地电极，射流等离子体的电流回路由电荷通过扩散过程流过大地来完成。因此这种等离子体射流实际上只需要单电极来完成。

而当加有交流高压的高压电极靠近介电材料管的气流入口、地电极靠近介电材料管的气流出口(即地电极位于气流的下游)时，流出介电材料管的等离子体射流是由所谓的“电荷溢流”来实现的，即外加电压足够大时，电极间的放电产生的电荷在地电极介质表面积累的电荷超出饱和值而流出地电极区形成的等离子体射流。这种等离子体射流的形成需要两个电极，并且要求外加电压必须超过一个阈值，以便形成“电荷溢流”。如果外加电压小于该阈值则不会在地电极下游形成等离子体射流，虽然电极间的等离子体仍然是存在的。本发明正是利用了这后一种情况，即外加电压小于一定阈值，在电极间产生放电等离子体而又没有在地电极下游形成等离子体射流。这样，等离子体中形成的亚稳态粒子可以随气流流出介电材料管，并被射到被处理材料表面，而荷电粒子则被约束在放电电极之间。

上面提到的放电电极表面都没有直接与放电气体接触，相当于电极表面覆盖了一层电介质材料(即上述的介电材料管的管壁)，这样的放电形式称为介质阻挡放电(DBD)。DBD放电仅要求在参与放电的两个电极上至少有一个电极的表面覆盖电介质材料即可。

下面提供几种不同的实施例，在这些实施例中，电极和介电材料管的形状、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2为本实施例提供的一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管104，其内部流过工作气体106，如Ar、He、CH₄等，或其混合气体；

高压电极102，围绕在介电材料管104外周，靠近介电材料管104的气体入口附近，该高压电极102连接到交流电压源105，在产生活性气体流时，交流电压源105向高压电极102提供低于阈值电压的电压；

接地的地电极101，围绕在介电材料管104的外周，位于高压电极102的下游，接触到介电材料管104的气体出口附近。

如上所述，通过将地电极设置在高压电极的下游，并将施加到高压电极上的电压控制在阈值电压以下，可使得等离子体中形成的亚稳态粒子随气流流出介电材料管，并被射到被处理材料表面，而荷电粒子则被约束在放电电极之间。

利用本实施例提供的装置产生活性气体流的方法包括：

向介质材料管104中通入工作气体；

利用交流电压源105向高压电极102上施加高压，以在介电材料管104中起辉而形成放电等离子体区107；

降低施加到高压电极102上的电压，使放电等离子体区的范围缩小，直到放电等离子体区的边界缩回到介电材料管104的出口之内，即介电材料管104的出口之外没有辉光，此时介电材料管104的出口流出中性活性气体108。

通过上述方法可保证流出介电材料管104的气流中的主要成分为电中性的原子、原子团(各种激发态或基态)，自由基团，亚稳态粒子，各种分子碎片，各种可见或紫外光子，等等，但不含或极少含有电子、离子等荷电粒子。

如前所述，加到高压电极上的电压必须低于一定的阈值电压才能将荷电粒子约束在放电电极之间，而使介电材料管104流出中性活性气体，该阈值电压可由上述方法确定(即将放电等离子体区的边界缩回到介电材料管104出口时所对应的电压作为阈值电压)，或者利用检测设备检测，当检测到介电材料管104出口流出的气体中不含荷电粒子时所对应的电压即为阈值电压。记录下来确定的阈值电压，在以后的使用中，起辉后直接将加至高压电极的电压调至该阈值电压以下即可。

阈值电压与地电极的尺寸、形状、气体种类等因素有关，一般来说，地电极越宽，阈值电压越大。若地电极足够宽，则阈值电压可能大于起辉所需的电压，此时起辉后，可不必降低高压电极上的电压，甚至可根据需要继续增大高压电极上的电压，只要不大于阈值电压即可。

实施例2

图3为本实施例提供的另一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管204，其内部流过工作气体206，如Ar、He、CH₄等，或其混合气体；

高压电极202，围绕在介电材料管204外周，连接到交流电压源205，在产生活性气体流时，交流电压源205向高压电极202提供低于阈值电压的电压；

接地的地电极201，围绕在介电材料管204外周，位于高压电极202的下游，接触到介电材料管204的气体出口附近；

接地的入口地电极203，围绕在介电材料管204外周，位于高压电极202的上游，接触到介电材料管204的气体入口附近。

本实施例与实施例1的区别在于，在高压电极202的上游增加了一个入口地电极203，入口地电极203可以限制高压电极202在其上游一侧放电的范围，防止放电范围超出介电材料管的气体入口，避免对设备造成的损伤。为了使放电不会溢出该地电极，其宽度应不小于下游的地电极。

利用与实施例1提供的装置相同的产生活性气体流的方法，本实施例提供的装置可在介电材料管的出口产生中性活性气体208。

实施例3

图4为本实施例提供的另一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管304，其内部流过工作气体306，如Ar、He、CH₄等，或其混合气体，介电材料管304具有两部分304a、304b，分别位于高压电极302的两侧，介电材料管304上具有多个径向向外的凸起a、b。

高压电极302由金属材料制成，与介电材料管的两部分304a、304b共同构成气体通路，高压电极302直接与放电气体接触，并被连接到交流电压源305，在产生活性气体流时，交流电压源305向高压电极302提供低于阈值电压的电压；

接地的地电极301，围绕在介电材料管304外周，位于高压电极302的下游，介电材料管304的气体出口附近；

接地的入口地电极303，围绕在介电材料管304外周，位于高压电极302的上游，介电材料管304的气体入口附近。

本实施例与实施例2的一个区别在于，介电材料管304外周具有凸起，该凸起可将地电极301、高压电极302、入口地电极303相互隔开，以防止在介电材料管外发生电极之间的放电。

本实施例与实施例2的另一个区别在于，高压电极302直接与放电气体接触。因为DBD放电仅要求在参与放电的两个电极上至少有一个电极的表面覆盖电介质材料即可，因此当接地的地电极301围绕在介电材料管304外周时，与气体之间间隔有介电材料管，此时高压电极与气体之间可不必间隔介电材料管。

利用与实施例1提供的装置相同的产生活性气体流的方法，本实施例提供的装置可在介电材料管的出口产生中性活性气体308。

实施例4

图5为本实施例提供的又一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管404，其内部流过工作气体406，如Ar、He、CH₄等，或其混合气体，介电材料管404上具有多个径向向外的凸起a、b；

高压电极402，围绕在介电材料管404外周，位于两个凸起a、b之间的凹处，高压电极402连接到交流电压源405，在产生活性气体流时，交流电压源405向高压电极402提供产生放电的电压和电流；

接地的地电极401，位于高压电极402的下游，与介电材料管404的气体出口相接触，地电极401中具有通孔410，该通孔410与介电材料管404一起形成气体通路，流过介电材料管404的气体与地电极401相接触，并通过地电极401的通孔排出，地电极401与高压电极被介电材料管404的凸起a隔开；

接地的入口地电极403，位于高压电极402的上游，与介电材料管404的气体入口相接触，入口地电极403中具有通孔409，该通孔409与介电材料管404一起形成气体通路，气体与入口地电极403相接触通过入口地电极403的通孔409流入介电材料管404，入口地电极403与高压电极被介电材料管404的凸起b隔开。

本实施例与实施例3的区别在于，接地电极401、403与放电气体直接接触，而高压电极402覆盖在介电材料管404的外围。在这样的放电条件下，由于接地电极401、403与放电气体直接接触，而没有介质阻挡，因此电荷直接通过接地电极而流走，电荷不会流出管外，因此加到高压电极上的电压没有阈值电压的限制，即可阻挡放电中产生的电荷的外溢，在气流出口产生中性活性气体408。

因此，利用本实施例提供的装置产生活性气体流的方法包括：

向介质材料管404中通入工作气体；

利用交流电压源405向高压电极402上施加高压，以在介电材料管404中起辉而形成放电等离子体区407。

根据本发明的一个实施例，例如，地电极的宽度为5cm，高压电极的宽度为5cm，两电极相距3cm，向介电材料管中通入氦气，则阈值电压约为15kV-20kV。又如，地电极的宽度为2cm，高压电极的宽度为5cm，两电极相距3cm，向介电材料管中通入氦气，则阈值电压约为10kV左右。

根据本发明的一个实施例，其中介电材料管可以由石英、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、PVC、PET等制成。

根据本发明的一个实施例，施加到高压电极上的交流电压可以是正弦波、方波或脉冲等，频率一般在50Hz至100kHz。

根据本发明的一个实施例，工作气压可以在10-1000kPa，一个大气压的条件更便于应用，气体种类根据不同的表面处理的要求而定。

根据本发明的一个实施例，根据不同的气体以及电极间距，阈值电压的范围一般在1-100kV。

根据本发明的一个实施例，除了在介电材料管上设置凸起之外，还可以利用其他本领域技术人员公知的结构来防止介电材料管外电极之间的放电，例如在电极上覆盖介电层。

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

1.一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管，其内部流过工作气体；

高压电极，与介电材料管相接触，并连接到交流电压源；

第一地电极，在高压电极的下游与介电材料管相接触，

其中所述交流电压源向高压电极提供低于预定阈值电压的电压，以产生中性活性气体流，其中所述预定阈值电压是指放电等离气体区的边界缩回到所述介电材料管出口时所对应的电压。

2.根据权利要求1所述的活性气体流发生装置，其中第一地电极围绕在介电材料管的外周。

3.根据权利要求1所述的活性气体流发生装置，其中高压电极围绕在介电材料管外周。

4.根据权利要求1所述的活性气体流发生装置，其中高压电极与介电材料管共同构成气体通路，高压电极直接与工作气体相接触。

5.一种活性气体流发生装置，包括：

介电材料管，其内部流过工作气体；

高压电极，围绕在介电材料管外周，并连接到交流电压源；

第一地电极，在高压电极的下游与介电材料管相接触，并与介电材料管一起形成工作气体通路，且所述第一地电极与工作气体直接接触。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的活性气体流发生装置，还包括第二地电极，第二地电极在高压电极的上游与介电材料管相接触。

7.一种利用权利要求1所述的装置产生活性气体流的方法，包括：

1）向介电材料管中通入工作气体；

2）向高压电极上施加一低于阈值电压的电压，以使得介电材料管的出口流出中性活性气体，其中所述预定阈值电压是指放电等离气体区的边界缩回到所述介电材料管出口时所对应的电压。

8.根据权利要求7所述的产生活性气体流的方法，其中步骤2）包括：利用交流电压源向高压电极上施加电压，以在介电材料管中起辉而形成放电等离子体区；调整施加到高压电极上的电压，使放电等离子体区的边界在介电材料管的出口以内。

9.根据权利要求7所述的产生活性气体流的方法，其中步骤2）包括：调整施加到高压电极上的电压，同时检测介电材料管出口流出的气体，直到该气体中不含荷电粒子。

10.一种利用权利要求5所述的装置产生活性气体流的方法，包括：

1）向介电材料管中通入工作气体；

2）向高压电极上施加电压，以使得介电材料管的出口流出中性活性气体。