CN102883516A - 一种新型针-环式等离子体射流装置 - Google Patents

一种新型针-环式等离子体射流装置 Download PDF

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罗书豪
孙韬
曾鹏
张文玉
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Abstract

本发明公开了一种新型针-环式等离子体射流装置，该装置包括：针电极、石英管、进气口、接地电极、喷口；针电极设置在石英管的中心，进气口设置在石英管的一侧，接地电极设置在石英管的外侧，喷口设置在石英管的底部。本发明通过调节接地电极的宽度和位置，可以适当的扩大射流范围，可以扩大针-环式等离子体射流装置的实用环境，同时，对于观察到多脉冲放电现象，利于对气体放电理论的进一步理解。

Description

一种新型针-环式等离子体射流装置
技术领域
本发明属于等离子科学领域，尤其涉及一种新型针-环式等离子体射流装置。 
背景技术
近年来，大气压等离子体射流(Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ)引起了国际上的重大关注，被广泛用于材料表面改性、等离子体刻蚀、环境工程以及物品表面灭菌等。而传统意义上的使用介质阻挡放电(Dielectric BarrierDischarge，DBD)来产生低温等离子体，其放电间隙仍限制于数毫米到几厘米范围内，不仅需要较高的气体击穿电压，且无法应用于体积稍大的物品。更为重要的是，活性粒子获取能量需要一定的空间和时间，狭小的空间会导致活性粒子能量较低，继而大大影响实际应用效果。 
华中科技大学的卢新培教授等设计并制作的一种针-环式等离子体射流装置，在该装置上可产生长11厘米的射流体，所采用的高频电压有效值为5kV，电压频率为40kHz，该装置的最显著的一个特点是高压电极置于一个单端封口的石英管内；该射流装置的另一个特点是它所产生等离子体的气体温度在所调试的所有参数范围内都保持常温。该方法产生的等离子射流长度虽然长达11厘米，但使用的氦气流量高达15L/min，其成本相对较高。同时，该装置的接地电极为固定值，在实际应用中，该接地电极的位置可能会发生变化，此时的 一些特性在实际应用过程中并不再适用。缺少对于电极位置及尺寸发生变化，对于射流特性影响的探讨。其次，对于此时的放电状态，也没有进行考查，直接将其忽略掉，而放电状态的考查，对于深入理解气体放电理论，有着极为重要的意义；西安交通大学的张冠军教授等提出了一种针-环结构的射流装置，接地电极宽度为5mm，接地电极距管口为10mm，且使用的材料为铜箔，石英管长度为110mm，内径为2.3mm，高压电极采用直径为1mm的钨丝制作，在该结构下，当电压为3～6kV时，可以产生稳定的等离子体射流。同时，他们讨论了外加电压、管径及气流对于等离子体射流长度的影响。他们虽然对该针-环结构的一些特性进行了测试，但电极参数发现变化时，有的特性将会发生变化，对于该问题，他们并没有提及。同时，对于该结构下可能出现的“多脉冲”放电形式，并没有予以报道；L.Xu设计的基于介质阻挡放电(Dielectric BarrierDischarge，DBD)形式的射流装置，其内电极均不锈钢细管制作，该不锈钢细管的内径为8mm，既可以通入气体又可以作为接地电极。而紧挨高压电极的外管也为一个绝缘细管，其内径为15mm。当装置外加电压13.1kV时(峰峰值)，电源频率为15kHz，氩气流量200L/h时，离管口约1.5厘米处的等离子体的气体温度可保持在47℃。他们虽然对该结构的一些特性进行了测试，但他们的测试是局限于该固定装置上，对于电极参数发生变化时，对于射流长度及放电特性的影响并没有予以讨论。同时，由于气体直接通过的是接地电极，气体的电离程度并不是很高，此外，该装置的高压电极虽然由绝缘材料包裹，但随着时间的推移，材料一旦老化，较容易造成操作者的误伤；C.Cheng等设计的两电极氩气等离子体射流装置，装置的中心处放置一金属管状接地电极，高压电极则包裹在聚四氟乙烯绝缘管内，电源频率6～20kHz，外加电压33.6kV(峰峰值)时，可稳定放电，且气体温度在25～30℃，功率可达14～20W，可见该结构在功率输出上具有很大的优势。在该装置上施加电压为30～80kV且电源频率为6～20kHz时，可以实现稳定的放电，不难看出，该结构下的稳定放电电压较前面的装置都高了很多，从安全角度来讲，对于绝缘材料的性能要求甚高。 
发明内容
本发明的目的在于利用在一种新型针-环式等离子体射流装置，旨在解决现有的射流装置存在的缺少对于电极位置及尺寸发生变化，对于射流特性影响程度，当电极位置变化时，在实验中观察到了不同的“多脉冲”放电形式，装置在进行实验室，都没有报道这种多脉冲放电形式，装置需要施加的电压过高，存在一定的安全隐患等问题。 
本发明的目的在于提供一种新型针-环式等离子体射流装置，该装置包括：针电极、石英管、进气口、接地电极、喷口；所述针电极设置在所述石英管的中心，所述进气口设置在所述石英管的一侧，所述接地电极设置在所述石英管的外侧，所述喷口设置在所述石英管的底部。 
进一步、所述针电极采用绝缘的聚四氟乙烯塞子固定。 
进一步、所述等离子体射流装置采用铜皮绕制的接地电极。 
本发明的针-环式等离子体射流装置，该装置包括：针电极、石英管、进气口、接地电极、喷口；针电极设置在石英管的中心，进气口设置在石英管的一侧，接地电极设置在石英管的外侧，喷口设置在石英管的底部。本发明的针-环式等离子体射流装置，通过调节接地电极的位置及其宽度，可以适当扩大射流长度范围，扩充该装置的应用场合，而且可以将接地电极作为高压电极使用，将高压电极作为接地电极使用，增加装置使用的安全性；同时对于观察到多脉冲放电现象(目前的文献未予以报道该现象)，利于对气体放电理论的进一步理解，本发明的针-环式等离子体射流装置结构简单，操作方便，可用于多种实验研究。 
附图说明
图1是本发明提供的新型针-环式等离子体射流装置的结构示意图。 
图2是本发明提供的接地电极位置为不同值时射流长度曲线图； 
图3是本发明提供的接地电极宽度为不同值时射流长度曲线图。 
图中：1、针电极；2、石英管；3、进气口；4、接地电极；5、喷口。 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 
本发明实施例提供了一种新型针-环式等离子体射流装置，该装置包括：针电极、石英管、进气口、接地电极、喷口；针电极设置在石英管的中心，进气口设置在石英管的一侧，接地电极设置在石英管的外侧，喷口设置在石英管的底部。 
作为本发明实施例的一优化方案，针电极采用绝缘的聚四氟乙烯塞子固定。 
作为本发明实施例的一优化方案，接地电极为铜皮绕制且位置和宽度可调。 
以下参照附图1，对本发明提供的新型针-环式等离子体射流装置作进一步详细描述。 
如图1所示，本发明中的针-环式等离子体射流装置，该装置主体部分为长100mm的石英管2，外径尺寸和内径尺寸分别为8mm和5.39mm，进气口3距离喷口约44mm。在石英管2的上游端口处插入直径为1.64mm针电极1，为了确保针电极1与石英管2同轴，采用自制的聚四氟乙烯绝缘塞子将其固定，并用施以密封，以保证该处的密封性。接地电极4为铜皮绕制，宽度为12.76mm，其位置可调，且在石英管2的外侧，离喷口5较近，使用时不会存在安全隐患；使用本装置做实验时，选用上海济阳科技有限公司生产的氦气作为放电气体，其纯度为99.999％。在实际操作中，主要利用喷口5以外的等离子体进行应用，为此，从喷口5处开始测量等离子体射流长度L，将接地电极4与喷口5的距离记为D，实验中主要通过改变D值，对射流特性进行对比分析。 
如图2所示，接地电极4的位置为不同D值时，射流长度与外部气流的关系曲线，此时外加电压为10kV(有效值为3.5kV，电压相对较低)。可以看到，随着外部气流的变化，射流长度首先上升，随后经过一过渡阶段，最终趋于平稳长度，射流长度不再随气流的变化而变化，同时可以看到，电极位置D值变大时，射流长度将会缩短，为此，从实验角度可以说明，我们可以通过调节接地电极的位置，来改变射流长度，对于实际应用具有一定的意义。 
如图3所示，接地电极4为不同接地电极宽度W值时，射流长度与外部气流的关系曲线，此时外加电压为10kV(有效值为3.5kV，电压相对较低)。可以看到，接地电极宽度变化时，射流长度也会发生变化。宽度越大时，射流长度反而会减小；从实验角度可以说明，我们可以通过调节接地电极的宽度，来改变射流长度，对于实际应用也具有一定的意义。 
本发明的针-环式等离子体射流装置，该装置包括：针电极、石英管、进气口、接地电极、喷口；针电极设置在石英管的中心，进气口设置在石英管的一侧，接地电极设置在石英管的外侧，喷口设置在石英管的底部。本实用新 型的针-环式等离子体射流装置，通过调节接地电极的位置及其宽度，可以适当扩大射流长度范围，扩充该装置的应用场合，而且可以将接地电极作为高压电极使用，将高压电极作为接地电极使用，增加装置使用的安全性；同时对于观察到多脉冲放电现象(目前的文献未予以报道该现象)，利于对气体放电理论的进一步理解，本发明的针-环式等离子体射流装置结构简单，操作方便，可用于多种实验研究。 
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种新型针-环式等离子体射流装置，其特征在于，该装置包括：针电极、石英管、进气口、接地电极、喷口；
所述针电极设置在所述石英管的中心，所述进气口设置在所述石英管的一侧，所述接地电极设置在所述石英管的外侧，所述喷口设置在所述石英管的底部；所述等离子体射流装置采用位置和宽度可调的接地电极。
2.如权利要求1所述的新型针-环式等离子体射流装置，其特征在于，所述针电极采用绝缘的聚四氟乙烯塞子固定。
3.如权利要求1所述的新型针-环式等离子体射流装置，其特征在于，所述等离子体射流装置采用铜皮绕制的接地电极。
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