CN102946685A

CN102946685A - 大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置

Info

Publication number: CN102946685A
Application number: CN2012103909572A
Authority: CN
Inventors: 汤洁; 段忆翔; 赵卫; 王屹山; 姜炜曼; 李世博
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: CN102946685B

Abstract

本发明旨在提供一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置。该装置包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。本发明的等离子体发生装置能够产生均匀弥散的等离子体，该等离子体富含亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等活性物种，可以用来进行物质表面改性和灭菌消毒等。

Description

大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置

技术领域

本发明涉及一种低温等离子体发生装置，可应用于大面积物质表面改性和灭菌消毒。

背景技术

近年来，等离子体技术(等离子体处理工艺)被广泛地应用于半导体制造、物质材料表面清理与改良，杀菌等工业领域。等离子体技术在上述众多工业领域的成功应用缘于等离子体的非平衡特性。在非平衡态等离子体体系中，存在着大量的低温化学活性物种，当这些活性物种与其它物质表面接触时，能够在不影响这些物质整体性质的情况下，改良物质表面特性。

在传统的工业领域中，主要依靠低压辉光放电非平衡等离子体进行材料处理，而该等离子体产生过程需要昂贵的真空设备，还存在被处理样品与真空装置兼容困难的不利因素。巨大金额真空设备的投资，较高设施维护修理费用以及操作控制的复杂性等因素限制了低压辉光放电非平衡等离子体处理工艺的大范围使用。

相对带有真空设备的低压辉光放电等离子体发生装置而言，大气压气体放电等离子体表面处理设备省去了真空装置，在常压大气环境中，就能对样品进行表面处理。此表面处理技术不仅降低了运行成本，而且提高了工作效率。常见的大气压气体放电形式有电晕放电、电弧和介质阻挡放电(DBD)。对于等离子体表面处理在工业上的应用来说，电晕和电弧都不适用。电晕通常是发生在极不均匀和强电场区域的小范围空间内，且放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低；而电弧的高温将损坏被处理的材料。DBD等离子体已经被用于等离子体表面处理，但传统的介质阻挡放电等离子体发生装置有两个重要的缺点：DBD是由一些放电细丝组成，难以对材料表面进行均匀处理；DBD放电细丝直径很小，但电流密度很大，其功率密度远远超出1W/cm³，可能使样品表面烧蚀或穿孔，故而限制了DBD在表面处理上的应用。

为获得功率密度适中(几百mW/cm³)、放电均匀弥散的放电，近几十年来，人们都致力于大气压类辉光放电(APGD)等离子体设备的研发，这类介质阻挡放电有预期形成均匀弥散的放电，在放电形态上与通常的辉光放电相似。

然而目前报道的仅仅是为数不多的几种大气压等离子体发生装置。其中，大气压等离子体射流(APPJ)潜在的应用价值最大。它一般采用交流和脉冲放电方式，在有绝缘介质隔离的两电极直接(有时使用单电极)发生放电产生等离子体，凭借气体的流动将等离子体带出放电腔体之外，形成等离子体射流。此工作气体常局限于惰性气体(氦气和氩气等)和氮气；在必要的时候，还需添加少量的活性气体，比如氧气、碳氟化合物(四氟化碳等)、碳氟氧化物和卤素等。虽然APPJ很容易与被处理物体表面接触，有利于提高活性物种的利用率，但APPJ的尺寸受到限制，很难获得大体积的等离子体射流，来提高等离子体表面处理效率。近几年来，人们也尝试以空气作为工作气体，在大气环境中产生类辉光等离子体。但其工作状况极不稳定，弥散的均匀放电很容易就转变成丝状放电。其他大气压等离子体(比如射频放电产生的等离子体)也兼有低压等离子体的一些特性，但其产生的等离子体温度较高，在实际工业应用，比如材料处理当中，受到了很大的限制。

发明内容

本发明旨在提供一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，以解决现有技术中大气压等离子体发生装置工作时产生的等离子体气流温度较高、体积较小和表面处理效率低下，导致难以在实际工业应用的问题。

为实现以上发明目的，本发明提供以下基本技术方案：

一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，其中一个为高压电极，另一个为接地电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。

基于上述基本技术方案，本发明还作了如下优化限定和改进。

上述诱导气体最好为惰性气体，诱导气体较适宜的流量为0.01～10L/min。

上述诱导气体优选采用氦气、氩气或者两者的混合。

上述放电单元的放电间隙(绝缘介质平板与待处理样品之间)最好为0.1mm～1cm；窄缝腔体的出气端口的缝隙为0.5～5mm，并小于放电间隙。

对于上述高压电极，提供交流或脉冲电压，频率为50Hz至13.56MHz，电压幅值为100～10000V，放电电流控制在0.1～500mA。

上述出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间，出气端口与绝缘介质平板的内侧平面的前部固定连接。

上述绝缘介质平板由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料制成。

上述窄缝腔体由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料制成。

上述两个平板电极优选铝、铜、钨、镍、钽、铂以及选自这些金属构成的合金。

上述出气端口与有效放电区域(高压电极与接地电极正对的区域)保持1mm～1cm的距离较佳；窄缝腔体的出气端口的横向长度不小于平板电极的横向长度(从而能够便于惰性气体均匀的充满整个放电空间)。

本发明提供的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置实现了在常压下产生接近室温，均匀弥散的大面积等离子体。直接以大气中的空气作为工作气体，两平板电极分别接高压电源的两端。其中高压电极被一层绝缘介质覆盖，被处理样品置于低压电极之上。工作时，让微量的惰性气体(比如氦气和氩气)流入(两平板电极正对的)放电空间。微量惰性气体作为诱导放电气体引入，可以降低气体的击穿电压或平均放电电压，即降低放电空间的电场强度，避免了电子雪崩过快的增长，从而阻止了弥散的类辉光放电向丝状的介质阻挡放电转变。另外，流动的惰性气体可以让放电空间和聚集在介质面上的正负离子沿着气流方向移动，避免了当外加电压反向时微放电在同一处发生而形成单丝放电和等离子体分布不均的现象。当两电极外加电压足够高时，放电间隙中的空气和流动的微量惰性气体被击穿，产生均匀弥散的等离子体。适当地调节惰性气体的流速，以及合理地控制放电间隙的距离，可以避免均匀弥散的类辉光放电转变成丝状的介质阻挡放电。因而，本发明的等离子体发生装置能够产生均匀弥散的等离子体，该等离子体富含亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等活性物种，可以用来进行物质表面改性和灭菌消毒等。

本发明具体还有以下优点：

1.本发明大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置以大气中的空气作为工作气体，不仅成本低廉，而且可以产生丰富的活性物种，比如亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等，非常适合于表面改性和灭菌消毒。

2.该低温等离子体发生装置，无需昂贵的真空系统，可以在常压下产生接近室温的等离子体，最高气体温度不超过50℃，适合用来处理绝大多数的热敏材料，对其不造成任何热损伤。

3.类辉光放电形成的均匀弥散等离子体，其面功率密度不大于1W/cm²，避免了样品表面的烧蚀或穿孔。

4.该低温等离子体发生装置，其产生等离子体的尺寸可以根据实际需求进行设计，具有操作上的灵活性和方便性。

5.采用介质阻挡放电的电极结构，在两电极之间设置介质阻挡层(绝缘介质平板)，可以防止类辉光放电转变成电弧或火花放电。

6.该低温等离子体发生装置功耗低，可以小到几瓦特。与直流辉光放电相比，不仅在较大程度上降低了热损失，而且提高了能量利用效率。

附图说明

图1(a).本发明装置主体结构示意图之前视图；

图1(b).本发明装置主体结构示意图之后视图；

图2.本发明装置整体结构示意图；

图3(a).采用现有技术产生的大气压丝状空气介质阻挡放电实物图；

图3(b).采用本发明产生的大气压诱导空气介质阻挡放电均匀弥散等离子体实物图；

图4.传统等离子体发生装置与本发明灭菌效果对比图。

具体实施方式

本发明提供的大气压低温等离子体发生装置，由一个具有介质阻挡放电电极结构的放电单元，一个窄缝腔体和一个电源设备组成。放电单元包括两个平板电极，即一个高压电极和一个接地电极，电极为耐热的金属材料，可以采用铝、铜、钨、镍、钽、铂以及这些金属的合金，但不限于上述材料；还包括一个绝缘介质层(平板)，覆盖高压电极的表面，绝缘介质层可以限制两极之间放电电流的大小，防止类辉光放电转变成电弧或火花放电。绝缘介质层由纤维、塑料、橡胶、云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料构成。窄缝腔体有两个端口，一个端口为进气端口，另一个端口为出气端口。出气端口为窄缝状，嵌入绝缘介质层与被处理样品之间，其端口截面的长边与电极保持平行，端口与放电空间相隔一定距离。窄缝腔体是由橡胶、云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料制作而成。电源设备提供交流和脉冲电压。其频率可从工频变化到13.56MHz的射频。

工作时，将被处理样品置于接地电极之上，以大气中的空气作为工作气体，诱导气体从窄缝腔体的进气端口流入，出气端口流出，再进入放电空间。可用作诱导气体的有氦气、氩气以及它们的混合气体，但不仅限于这些气体。当两个电极之间所加电压足够高时，放电空间的空气，以及少量的诱导气体将被击穿，发生稳定的等离子体气体放电。

微量惰性气体作为诱导气体引入，由于其击穿电压较低，在放电空间电场强度不足以击穿空气间隙时，首先将惰性气体激发和电离。激发态惰性气体将能量传递给空气中的氮气，形成亚稳态氮气分子。亚稳态物质之间(亚稳态惰性气体分子之间和亚稳态氮气分子之间)的彭宁电离再次产生电子，将整个放电间隙击穿。电子的产生和电子雪崩的发展都是在较低电场强度下进行，这避免了电子雪崩过快的增长，从而阻止了弥散的类辉光放电向丝状的介质阻挡放电转变。另外，流动的氩气可以让放电空间和聚集在介质面上的正负离子沿着气流方向移动，避免了当外加电压反向时微放电在同一处发生，而形成单丝放电和等离子体分布不均的现象。

均匀弥散的等离子体覆盖放电空间正对的样品表面，该等离子体富含亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等活性物种，非常适合于物质表面改性和灭菌消毒等工业的应用。

图1(a)为本发明大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置主体结构10示意图之前视图。主体结构10包括一个放电单元20和一个窄缝腔体15。其中，放电单元20包括两个正对的平板电极，即一个高压电极11和另一个接地电极12，两平板电极的长和宽可以根据实际需求进行设计；还包括一个绝缘介质层13，覆盖在电极11的下表面。被处理样品14置于电极12的上表面。窄缝腔体15有两个端口，一个进气端口16(如图1(b)所示)，一个出气端口17。出气端口17为窄缝状，嵌入介质层13与被处理样品14之间，其端口面与电极11或12保持平行，并与两极板正对的放电空间18相隔一定距离(1mm～1cm)。

图1(b)为本发明大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置主体结构10示意图之后视图。诱导气体从窄缝腔体15的进气端口16流入，出气端口17流出(如图1(a)所示)。

图2为本发明大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置整体结构示意图。等离子体发生装置除了包括主体结构10以外，还包括电源设备19。当施加在电极两端的电压足够高时，在放电空间18处将发生气体放电，产生等离子体。

图3(a)为无诱导气体时大气压丝状空气介质阻挡放电之俯视图，该图显示细丝状等离子体分布在放电空间18的局部区域，出现严重不均的现象。

图3(b)展示了本发明等离子体发生装置放电时等离子体形成之俯视图。从图中可以看出，均匀弥散的等离子体充满了整个放电空间18。

为了方便观测等离子体产生的物理现象，也可以利用ITO导电玻璃替代了高压电极11和绝缘介质层13。但ITO导电玻璃容易折碎而产生瞬间局部大电流放电，致使样品表面烧蚀或更为严重的人身事故。因此，本发明采用铝、铜、钨、镍、钽、铂及其合金等作为平板电极，并在高压平板电极内侧完全覆上单独的绝缘介质层，避免了ITO材料容易被折碎的缺陷，防止了等离子体发生装置使用过程中，意外事故的发生。

工作时，将被处理样品14置于接地电极12之上，以大气中的空气作为工作气体(比如，放电空间的其他几个方向自然敞开)，诱导气体从窄缝腔体15的进气端口16流入，出气端口17流出，再进入放电空间18。可用作诱导气体的有氦气、氩气以及它们的混合气体，但不仅限于这些气体。当两个电极11和12之间所加电压足够高时，放电空间18的空气，以及少量的诱导气体将被击穿，发生稳定的等离子体气体放电。均匀弥散的等离子体覆盖放电空间正对样品14的表面，并与其充分接触。来回移动被处理样品14或等离子体发生装置10，就可以对样品14整个表面进行处理。

等离子体的均匀性和弥散程度主要受到诱导气体流速，放电间隙和放电能量的影响。诱导气体流量最好保持在0.01～10L/min。设计窄缝腔体出气端口缝隙为0.5～5mm，并小于放电间隙；其横向长度不小于与之平行的电极的横向长度，宽不大于放电间隙的距离；其长宽之比一般情况下大于5，更宜大于10，以便惰性气体能够均匀的充满整个放电空间。放电间隙最好取0.5～5mm，也可以小到0.1mm，大至1cm；用于产生等离子体的电源电压幅值通常在100～10000伏特，而放电电流控制在0.1～500mA范围，使得产生维持稳定类辉光放电的能量通常在几瓦特到几十瓦特之间。

采用本发明装置开展了一项灭菌试验。该试验以空气作为工作气体，少量的氩气作为诱导气体，氩气流速为0.2L/min，放电间隙为2mm，放电平均面功率密度为0.47W/cm²，被处理样品为覆盖Escherichia coli细菌的滤纸。在以空气作为工作气体，氩气作为诱导气体的条件下，该介质阻挡放电产生了均匀弥散的等离子体，并且等离子体中富含OH和O等活性物种，该类物种非常适合于灭菌与消毒。图4为传统等离子体发生装置与本发明灭菌效果对比图。其中，虚线为传统方式的处理效果，实线为本发明氩气诱导空气介质阻挡放电等离子体发生装置的处理效果。横轴表示被处理样品处理时间(分钟)，纵轴表示细菌残余数量(个)。从图4中可以看出完全灭掉Escherichia coli细菌仅需2min。而以传统的灭菌方式，即氩气作为工作气体，当耗时4分钟时，还有相当部分的细菌剩余。可见，本发明装置的灭菌效果明显优于传统的等离子体表面处理发生装置。

Claims

1.一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，其中一个为高压电极，另一个为接地电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。

2.根据权利要求1所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：所述诱导气体为惰性气体，诱导气体的流量为0.01～10L/min。

3.根据权利要求2所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：诱导气体采用氦气、氩气或者两者的混合。

4.根据权利要求2或3所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：放电单元的放电间隙为0.1mm～1cm；窄缝腔体的出气端口的缝隙为0.5～5mm，并小于放电间隙。

5.根据权利要求4所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：对于所述高压电极，提供交流或脉冲电压，频率为50Hz至13.56MHz，电压幅值为100～10000V，放电电流控制在0.1～500mA。

6.根据权利要求5所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：所述出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间，出气端口与绝缘介质平板的内侧平面的前部固定连接。

7.根据权利要求6所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：绝缘介质平板由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯制成。

8.根据权利要求7所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：窄缝腔体由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯制成。

9.根据权利要求8所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：两个平板电极是由铝、铜、钨、镍、钽、铂以及选自这些金属构成的合金制成。

10.根据权利要求9所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：出气端口与有效放电区域保持1mm～1cm的距离；窄缝腔体的出气端口的横向长度不小于平板电极的横向长度。