CN102448239B - 介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，对背景技术中的技术方案进行改进，以显著降低能耗。该介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置在进气端口与主放电电极的位置之间还设置有用以对工作气体进行预电离的一对平板电极，平板电极与主放电沿工作气体流速方向的间距不小于1mm，平板电极的放电端面设置有绝缘层。本发明主放电或产生刷状等离子体的起始电压更低，正常辉光放电时额定工作电压和电流更小，等离子体放电的能量更少，消耗在限流电阻上的焦耳热也更少，可以延长主放电电极和限流电阻的使用寿命。

Description

介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置

技术领域

本发明涉及一种介质阻挡放电低温等离子体电刷发生装置。 

背景技术

中国专利ZL201120020842.5《大气压低温等离子体电刷发生装置及其阵列组合》中公开的大气压低温等离子体电刷发生装置，由一个主体腔室，两个电极，一个限流电阻，一个质量流量计和一个电源设备组成。主体腔室包括两个端口，一个端口为进气端口，另一个端口为出气端口，主体腔室内靠近该出气端口的部分自然形成窄缝腔体。在主体腔室内部，靠近出气端口布置着两个电极。其中的一个电极与限流电阻连接。主体腔室是由如聚四氟乙烯一类的聚合物或绝缘陶瓷材料制成；电极为耐热的金属材料。腔室中两个电极正对的端面既可以是平面也可以是针尖状。该装置中的质量流量计用来控制流经腔室的等离子体气流。电源设备提供直流或交流电压。电路中串联的限流电阻可以抑制阴极区域的电场波动，限制两极之间放电电流的大小，防止辉光放电转变成电弧放电，从而使得在气体腔室中可以产生稳定的辉光放电。 

工作时，在两个电极之间加上一定的电压，等离子体维持气体和活性气体从进气端口流入腔室，流经两电极之间的区域时，将发生稳定的等离子体气体放电。在两电极放电区间形成的等离子体气流从腔室的窄缝流出，窄小的狭缝可确保等离子体气体在喷出腔室的瞬间有较高的速度。从狭缝腔体快速流出的等离子体气体携带着部分的热量，正以此消除辉光放电的热不稳定因素。等离子体气流以很快的速度从腔室喷出，向外延伸成刷状稳定的低温等离子体射流，形成大气压低温等离子体电刷。 

尽管与传统的等离子体发生装置相比，该装置已经取得了长足的进步，其结构简明、成本低廉，无需昂贵的真空系统就可以在常压下产生低温等离子体射流；操作安全方便，对被处理物品的尺寸和形状没有严格的限制。但是，其耗能较高。由于在放电回路中设置了限流电阻，在放电电流过大时将 会产生大量的焦耳热而将其浪费；其次，为生成较大体积的等离子体而增加放电电极之间的间距，间距的增加同时增大了两电极之间的击穿电压，以及等离子体的放电功率。这样不仅消耗和浪费过多的能量，还对外界电源提出了更高的要求。 

发明内容

本发明提供一种介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，对背景技术中的技术方案进行改进，以显著降低能耗。 

为实现以上发明目的，本发明提供如下技术方案： 

介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室和一对主放电电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近该出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100；所述主放电电极的放电端位于所述窄缝腔体处；其特殊之处在于：在进气端口与主放电电极的位置之间还设置有用以对工作气体进行预电离的一对平板电极，平板电极与主放电沿工作气体流速方向的间距不小于1mm，平板电极的放电端面设置有绝缘层。 

上述窄缝腔体的结构形式可以是：主体腔室内自进气端口至出气端口逐渐收缩或趋于扁平；或者主体腔室内整体即为窄缝腔体，效果更佳。 

若优选上述所述主体腔室内整体为长方体的窄缝腔体，平板电极的金属表面沿长方体宽边平行紧贴窄缝腔体外壁上，窄缝腔体的腔壁作为平板电极介质阻挡放电的绝缘介质层。(若将平板电极置于主体腔室内部则有以下不利因素：其一，在结构设计上将更复杂；其二，会让更多的电极与等离子体接触，这样不仅会腐蚀电极，而且还会让等离子体中含有不利的成份；其三，经理论分析和实验验证，介质阻挡放电置于内部时的效果与置于外部基本相当。) 

上述主放电电极的回路上最好再串联限流电阻。 

为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源，交流电源的频率从工频至13.56MHz的射频范围内可调；电源模式为连续或脉冲形式；其中，平板电极的的放电电流有效值不大于10mA。(放电电压幅值根据因放电电压与窄缝宽度、工作气体类别、两边的腔壁厚度确定，一般在100～9000伏。) 

上述平板电极介质阻挡放电功率不大于1W时，工作气体流速为1～100L/min；以1～30L/min更佳。 

上述主体腔室(的腔壁)可以由聚四氟乙烯、绝缘陶瓷或两者的混合材料制成。 

上述主放电电极和平板电极最好采用由铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极，两个主放电电极相互正对的放电端面为平面或针尖状。 

较之于背景技术，本发明具有以下显著效果： 

(1)主放电或产生刷状等离子体的起始电压更低，正常辉光放电时额定工作电压和电流更小，等离子体放电的能量更少，消耗在限流电阻上的焦耳热也更少，可以延长主放电电极和限流电阻的使用寿命； 

(2)介质阻挡放电本身所消耗的能量可以控制在1瓦以内，远小于产生等离子体电刷或主放电所需要的能量； 

(3)经介质阻挡放电辅助的大气压低温等离子体电刷发生装置产生的等离子体更稳定，尺寸更大，活性物种更丰富，也更方便操作与控制，非常适合于在大气环境中使用。 

附图说明

图1为本发明的主体腔室的结构示意图。 

图2为本发明的主体腔室的俯视示意图。 

图3为本发明的工作示意图。 

图4为本发明的一对平板电极进行介质阻挡放电预电离时的瞬时电压和电流(传导电流)波形图。 

图5为本发明工作时主放电电极的击穿电压(Ignition potential)随工作气体流速(Gas flowrate)的变化关系的对照曲线图(与没有采用预电离(辅助放电)的条件相比)。 

图6为本发明工作时等离子体放电功率(Plasma discharge power)随气体流速的变化关系的对照曲线图(与没有采用预电离(辅助放电)的条件相比)。 

图7为本发明工作时限流电阻所消耗的功率(Joule heat)随气体流速的变化关系的对照曲线图(与没有采用预电离(辅助放电)的条件相比)。 

具体实施方式

本发明的工作原理是：在产生等离子体电刷主放电以前，预先对工作气体(等离子体维持气体和/或活性气体)进行预放电，将部分气体电离，部分预电离的工作气体再流经主放电区域进行放电。主放电时，气体中存有的已电离正负离子、甚至少量的电子能够减少气体的击穿阈值，从而降低主放电的起始电压，还可以进一步适当地减少额定工作电压和电流，这样不仅减少了等离子体本身产生所需要的能量，而且还降低了限流电阻所消耗的焦耳热，在很大程度上节省了能量。 

如图1、图2所示，相对于原有装置(ZL201120020842.5的方案)，本发明结构上的改进主要体现在，在工作气体(等离子体维持气体和/或活性气体)进气端口与主放电电极之间设置另一对互相平行，且正对的平板电极。平板电极通常为长方体，由铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金材料制成。平板电极置于窄缝腔体外部(在本实施例中主体腔室内整体为窄缝腔体的形式)，用于放电的两金属表面分别平行紧靠着窄缝腔体较宽外表面的两边。两平板电极所正对的面覆盖窄缝的宽度，但不超越腔体外围的宽度。两平板电极与主放电两电极沿工作气体流速方向的间距不小于1mm。两平板电极、平板电极之间的两层绝缘介质(两平板电极紧靠着主体腔室两侧的外表面，两边的腔壁用作介质阻挡放电的绝缘介质层)、以及放电间隙构成一个介质阻挡放电(DBD)等离子体发生器。其中一个电极接高压交流电源的高压端；另一电极接地。交流电压的频率可以从工频变化到13.56MHz的射频；幅值通常为几百伏到几千伏；放电电流有效值不大于10mA；电源模式为连续或脉冲形式。 

工作时，让工作气体(等离子体维持气体和/或活性气体)从进气端口流入腔室，在流经两平板电极所对应的区域时，在两电极上外加一定的交流电压，电压幅值控制在工作气体击穿阈值附近，使DBD功率不大于1W。经DBD预处理的部分预电离气体在穿越腔室之前，在靠近出气端口主放电所对应的两个电极上外加一定的电压来再次激发预电离的工作气体，使其放电产生刷状的等离子体射流，从出气端口喷出。在主放电回路利用限流电阻，选择合 适的等离子体维持气体和活性气体，以及合理地设计窄缝腔体可以避免辉光放电转变成电弧放电。刷状等离子体射流从腔室的出口喷出，该射流具有非平衡态等离子体的活性特征，因而，此等离子体发生设备可以用来进行等离子体表面处理和清洗、等离子体沉积、等离子体杀菌以及等离子体净化和生化武器的排除。 

下面进一步详述本发明的结构和工作过程。 

介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置包括主体腔室12，主体腔室12有两个端口，一个端口14和另一个端口16。等离子体维持气体和活性气体从端口14流入腔室，流经主体腔室12内部的窄缝腔体(在本实施例中主体腔室12内整体为窄缝腔体)。 

等离子体电刷发生装置还包括两个电极，一个电极20和另一个电极22。电极20和电极22均在主体腔室12的内部，相互正对着，并靠近端口16。 

在端口14与电极20或22之间，等离子体电刷发生装置还包括两个平行板电极17和电极18，电极17和电极18分别位于腔体外侧两边。 

等离子体维持气体和活性气体持续地从端口14流入主体腔室12，首先流经电极17和电极18所对应的放电区域，在不大于1W的功率下部分工作气体发生预电离，预电离的后的气体再流经电极20和电极22所对应的放电区域，当电极20和22两端电压足够高时，气体将被再次击穿，在腔室内部形成较大体积和较高浓度的等离子体气流，该气流经窄缝腔体从端口16喷出，形成刷状的射流24。 

图3为本发明的大气压介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置26的工作示意图。大气压等离子体电刷发生装置26除了含有一个主体腔室12以外，还包括限流电阻28和电源设备30和电源设备40。电源设备30为靠近端口16处的电极20和电极22提供放电电压，形成主放电回路；电源设备40为电极17和电极18提供放电电压，形成介质阻挡放电回路。另外，还有分别控制等离子体维持气体和活性气体流速的质量流量计34和32。 

工作时，等离子体维持气体通过流量计34控制途经管道38再由进气端口流入腔室；活性气体通过流量计32控制途经管道38再由进气端口流入腔室。等离子体维持气体和活性气体首先流经电极17和电极18所对应的放电 区域发生预电离，预电离后的气体再流经电极20和电极22所对应的放电区域，当加在电极20和22两端的电压足够高时，流经两电极之间区域的气体就被再次击穿，发生放电现象，形成等离子体气流。串联在电路中的限流电阻28可以限制两极之间放电电流的大小和抑制阴极区域的电场波动，防止电极之间的辉光放电转变成电弧放电。等离子体气流因本身流速的影响，便能以稳定刷状低温等离子体射流24的形式从窄缝腔体喷出。将低温等离子体电刷发生装置26产生的低温等离子体射流24触及到被处理物体36的表面，并与其适当地接触和来回移动，就可以对物体36的整个表面或预处理表面进行处理。 

通过实验，验证了本发明能够显著地降低能耗。以下举例说明。 

在大气环境下采用本发明进行实验，等离子体电刷发生装置的一对主放电电极端面的间距为15mm，主放电电极直径均为0.9mm；外加正弦交流电压使腔体内部的气体发生预电离，电压频率为9.0KHz。图4展示了一对平板电极进行介质阻挡放电预电离时的瞬时电压和电流(传导电流)波形图。此时放电电压峰峰值约3.6KV；在外加电压的半个周期内，出现2～3个电流脉冲，电流幅值约1mA。放电功率为单位时间内在外加电压正负半个周期内发生电流脉冲时，该时刻的外加电压转移相应电荷所做的功叠加。 

即 

通过检测和计算得到放电功率P_DBD≈10mW。 

从图5中可以看出，在DBD辅助与否的情况下，击穿电压皆随着气流增加而缓慢增加，这是由于正负离子或电子的扩散速度随着流速不断增加的缘故。比较DBD辅助前后两种情形，DBD辅助前的气体击穿电压约5.1KV；辅助后，击穿电压降至1.3KV左右。可见采用DBD预电离的方式可以大幅减少工作气体的击穿电压。 

图6是在DBD辅助前后等离子体放电功率(Plasma discharge power)随气体流速的变化关系。两种情形下，等离子体的放电功率皆随着气体流速的增加而增加，此说明要维持稳定的正常辉光放电，气体流速越大，所需要的功率越高。比较DBD辅助前后情形，在DBD辅助前，维持正常辉光放电的功率约45W；通过DBD辅助后，维持正常辉光放电的功率下降到10W左右。此表明DBD预电离过程将等离子体放电功率降至到原来的1/5～1/4，在很 大程度上节省了能量的使用。 

图7是在DBD辅助前后限流电阻所消耗的功率(Joule heat)随气体流速的变化关系。两种情形下，在限流电阻上产生的焦耳热皆随着气体流速的增加而增加，这是由于放电电流随着气体流速不断增加的缘故。比较DBD辅助前后情形，在DBD辅助前，在限流电阻上产生的焦耳热约130W；通过DBD辅助后，在限流电阻上产生的焦耳热下降到35W左右。DBD预电离过程将限流电阻上所产生的焦耳热降低到约原来的1/4，同样在很大程度上减少了能量的浪费和损失。 

以上实验数据表明，低能耗的DBD预电离方式可以有效地降低气体击穿电压，减少等离子体放电功率和限流电阻所产生的焦耳热，以及延长限流电阻和主放电电极的使用寿命。因而，该大气压介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置在物质表面清理、材料性质改良、杀菌和环境净化等领域有着巨大潜在的应用价值。 

Claims (8)

1.介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室和一对主放电电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近该出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100；所述主放电电极的放电端位于所述窄缝腔体处；其特征在于：在进气端口与主放电电极的位置之间还设置有用以对工作气体进行预电离的一对平板电极，平板电极与主放电电极沿工作气体流速方向的间距不小于1mm，平板电极的放电端面设置有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：主体腔室内自进气端口至出气端口逐渐收缩或趋于扁平，或者主体腔室内整体即为窄缝腔体。

3.根据权利要求2所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：所述主体腔室内整体为长方体的窄缝腔体，平板电极的金属表面沿长方体宽边平行紧贴窄缝腔体外壁上，窄缝腔体的腔壁作为平板电极介质阻挡放电的绝缘介质层。

4.根据权利要求1至3任一所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：主放电电极的回路上还串联有限流电阻。

5.根据权利要求4所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源，交流电源的频率从工频至13.56 MHz的射频范围内可调；电源模式为连续或脉冲形式；其中，平板电极的的放电电流有效值不大于10 mA。

6.根据权利要求5所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：平板电极介质阻挡放电功率不大于1W，工作气体流速为1～100 L/min。

7.根据权利要求6所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：所述主体腔室由聚四氟乙烯、绝缘陶瓷或两者的混合材料制成。

8.根据权利要求7所述的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：所述主放电电极和平板电极均为铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极，两个主放电电极相互正对的放电端面为平面或针尖状。

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