CN103327722A - 介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其结构包括由绝缘材料制备的气体放电腔室、一对附着在气体放电腔室上下两侧壁上的介质阻挡放电平板电极和两个设置在气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极，所述气体放电腔室具有工作气体进口和等离子体出口，气体放电腔室内靠近等离子体出口的部分为窄缝结构，等离子体出口为窄缝状，在两个第一类辉光放电电极之间的窄缝结构的腔体处还设有至少一个第二类辉光放电电极，每两个相邻的辉光放电电极之间构成辉光放电电极对。本发明较之现有技术，可以实现在较低的击穿电压和较低的总能量消耗下产生更大体积的等离子体刷，对大面积物体进行快速有效处理。

Description

介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置

技术领域

本发明属于等离子体发生装置领域，特别涉及一种介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置。

背景技术

中国专利ZL201120020842.5公开了一种大气压低温等离子体电刷发生装置及阵列组合，包括气体放电腔室，一对辉光放电电极，限流电阻，电源及质量流量控制器。气体放电腔室由陶瓷材料或聚四氟乙烯一类的聚合物制成，具有进气端口和出气端口，出气端口为窄缝状，气体放电腔室内靠近出气端口的部分形成窄缝腔体。两个辉光放电电极的放电端位于窄缝腔体处，与限流电阻一起串联在电源的两端，电源用于提供电压，限流电阻用于限制两个辉光放电电极之间的电流大小，避免辉光放电转变为弧光放电。该装置结构简单，操作安全，但是其能耗、击穿电压以及产生的焦耳热都较高。

为了对上述装置的不足进行改进，申请号为201210006023.4的中国专利申请公开了一种介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，在进气端口与辉光放电放电电极之间增加了一对介质阻挡放电平板电极对工作气体进行预电离，采用交流电源为平板电极提供放电电压。工作时，工作气体从进气端口流入气体放电腔室，流经平板电极所对应的区域时，被介质阻挡放电平板电极施加的电压预电离，接着再流经窄缝腔体，两个辉光放电电极上施加的电压再次将预电离的工作气体激发，形成稳定的辉光放电，工作气体等离子体化。等离子体气流快速从气体放电腔室的出口端喷出，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刷。虽然介质阻挡放电平板电极的预处理使得该改进的等离子体电刷发生装置比中国专利ZL201120020842.5所述的装置产生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，产生相同体积等离子体的总能耗仅为原有装置的25%。但是为了对大面积物体进行快速有效的处理，只能增大辉光放电电极之间的距离以获得更大体积的等离子体，在辉光放电电极之间间距增大的同时，辉光放电电极之间的击穿电压以及等离子体的放电功率都会大增，这样不仅需要消耗更多的能量，也对电源设备提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷发生装置，以实现在较低击穿电压和较低的总能量消耗下产生更大体积的等离子体刷，对大面积物体进行快速有效处理。

针对本发明的目的，本发明提供的介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，包括由绝缘材料制备的气体放电腔室、一对附着在气体放电腔室上下两侧壁上的介质阻挡放电平板电极和两个位于介质阻挡放电平板电极下游设置在气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极，所述气体放电腔室具有工作气体进口和等离子体出口，气体放电腔室内靠近等离子体出口的部分为窄缝结构，等离子体出口为窄缝口，在所述两个位于气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极之间窄缝结构的腔体处还设有至少一个第二类辉光放电电极，每两个相邻的辉光放电电极之间构成辉光放电电极对，形成辉光放电电场。

上述装置中，相邻两个辉光放电电极之间的距离以能保证辉光放电电极之间的工作气体被击穿形成辉光放电为限，而击穿工作气体形成辉光放电的电压与工作气体的种类、工作气体的温度、工作气体被平板电极预电离的情况以及相邻两个辉光放电电极之间的距离等因素有关。

上述装置中，所述辉光放电电极均匀地分布在窄缝结构腔体处，各辉光放电电极可以分布在同一条直线上，也可以不分布在同一条直线上，最好是沿垂直于工作气体流动方向的方向均匀地分布在窄缝结构腔体处；工作时，相邻的辉光放电电极接在电源的不同输出端上，以保证每两个相邻的辉光放电电极之间具有大小相等的电压差，从而产生强度相等的等离子体刷。

上述装置中，辉光放电电极与电源形成的辉光放电回路上最好串联有限流电阻，以防止辉光放电转变为弧光放电。

上述装置中，所述辉光放电电极的放电端可为平面，也可针状或其他的现状。安装在窄缝结构腔体处的所述第二类辉光放电电极最好采用以平面为放电端的薄片辉光放电电极，其厚度在0.001~10mm，不超过0.1mm时效果最佳，以使相邻两个电场产生的等离子体从气体放电腔室等离子体出口流出合并成一个完整的等离子体刷。

上述装置中，所述介质阻挡放电平板电极及辉光放电电极可由铜、铁、铝、钨、铂或其合金等制备而成。最好是，与电源低压端相连的辉光放电电极由相同的材料制备、与电源高压端相连的辉光放电电极由相同的材料制备，以保证每两个相邻的辉光放电电极之间的电场强度均相等，从而产生强度相等的等离子体；所述气体放电腔室可由绝缘陶瓷、聚四氟乙烯制备而成，或者由绝缘陶瓷与聚四氟乙烯的混合物制备而成。

上述装置中，沿工作气体流动方向位于所述介质阻挡放电平板电极下游的辉光放电电极，其位置距介质阻挡放电平板电极的距离一般不小于0.01mm，最好在1~10cm。

上述装置中，所述气体放电腔室的形状可以是自工作气体进口至等离子体窄缝出口方向为逐渐趋于扁平的腔室形状，也可以是整个气体放电腔室为窄缝结构的腔室，所述等离子体窄缝出口的宽度与高度之比为5~200:1。

上述装置中，所述气体放电腔室最好整体为长方体形的窄缝结构腔室，介质阻挡放电平板电极紧贴窄缝结构腔体的上下两外侧壁，且与等离子体出口的宽边平行，以保证进入气体放电腔室的工作气体能够被均匀地预电离，窄缝结构腔体壁作为所述介质阻挡平板电极的放电端面的绝缘介质。

若将介质阻挡放电平板电极置于所述窄缝腔体的内部则会导致制作工艺更加复杂，而且经理论分析和实践验证，介质阻挡放电平板电极置于所述窄缝腔体的外部与内部所产生的预电离效果基本相当。

进入上述等离子体刷发生装置气体放电腔室的工作气体，可以上是等离子体维持气体，也可以是活性气体，或者是等离子体维持气体与活性气体的混合气体。所述等离子体维持气体可为惰性气体、氮气、氧气、空气中的至少一种；所述活性气体为碳氟化合物、碳氟氧化物、卤素等活性气体中的至少一种；工作气体的流量一般可控制在0.1～200L/min。

为所述介质阻挡放电平板电极提供放电电压的电源为交流电源，所述交流电源的频率从工频至13.56 MHz的射频范围内可调；电源模式可为连续或脉冲模式；介质阻挡放电功率不大于1W。

与现有技术相比，本发明具有以下有益显著效果：

1、本发明所述装置与申请号为201210006023.4的中国专利申请相比，产生相同体积的等离子体所需要的击穿电压和维持电压更低，正常辉光放电时额定工作电压更小，工作气体的击穿能量和等离子体的维持能量都更小，不仅可以减小能耗，而且对电源设备的要求也可显著降低。

2、本发明所述装置具有更低的击穿电压和维持电压，使得装置对辉光放电电源的要求更低，因而采用同样的电源设备能够产生体积更大的等离子体刷，有利于该装置发展成为便携式大面积处理设备。

3、本发明所述装置中相邻辉光放电电场产生的等离子体能够在工作气体流速的带动下合并成一个完整的等离子体刷，与ZL201120020842.5所述阵列组合相比，缩短了相邻电场产生的等离子体之间的间距，更容易实现对大面积物体进行均匀处理。

附图说明

图1为本发明设有1个第二类辉光放电电极的等离子体刷阵列发生装置的等离子体出口结构示意图；

图2为本发明设有1个第二类辉光放电电极的等离子体刷阵列发生装置的立体结构示意图；

图3为本发明设有1个第二类辉光放电电极的等离子体刷阵列发生装置的工作原理示意图；

图4为本发明设有1个第二类辉光放电电极的等离子体刷阵列发生装置的介质阻挡放电平板电极对工作气体进行预电离的瞬间电流和电压（传导电流）波形图；

图5为本发明设有1个第二类辉光放电电极与未设置第二辉类光放电电极的等离子体刷阵列发生装置辉光放电回路的电流随电压的变化关系对比曲线；

图6为本发明设有3个第二类辉光放电电极时辉光放电回路的连接示意图。

在上述附图中，各图示标号标识的对象分别为： 10—等离子体刷阵列发生装置的主体结构部分；12—气体放电腔室；14—工作气体进口；16—等离子体出口；17、18—介质阻挡放电平板电极；20、21—第一类辉光放电电极；22、23、24—第二辉类光放电电极；25—等离子体刷射流；28—限流电阻；30—辉光放电电源；32—第二流量控制器；34—第一流量控制器；38—三通管接头；40—介质阻挡放电电源。

具体实施方式

下面结合附图说明给出实施例，通过实施例对本发明所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置的结构和工作过程作进一步说明。

实施例1-装置结构

本实施例的介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置的结构如图1、图2和图3所示。装置的主体结构部分10包括由绝缘陶瓷制备的气体放电腔室12、一对附着在气体放电腔室上下两侧壁上用于对工作气体进行预电离的介质阻挡放电平板电极17、18，以及两个位于介质阻挡放电平板电极下游设置在气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极20、21，所述气体放电腔室具有工作气体进口14和等离子体出口16，气体放电腔室整体为长方体形的窄缝结构腔体，介质阻挡放电平板电极紧贴窄缝结构腔体的上下两外侧壁，且与等离子体出口的宽边平行，窄缝结构腔体壁作为所述介质阻挡平板电极的放电端面的绝缘介质；在所述两个位于气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极之间的窄缝结构腔体处还设有一个第二类辉光放电电极22，与两个相邻的辉光放电电极之间构成辉光放电电极对，形成辉光放电电场。

本实施例中，所述等离子体出口的宽度为28 mm、高度为1 mm，各辉光放电电极分布在同一条直线上，第二类辉光放电电极22与两个第一类辉光放电电极20、21之间的距离均为14 mm；两个第一类辉光放电电极都是直径为0.9 mm 的圆柱形不锈钢，第二类辉光放电电极是厚度为0.1 mm的长方形铂片电极，铂片电极的宽度为1.5 mm。

本实施例中，所述介质阻挡放电平板电极17、18均为厚1mm、宽3mm、长30mm的长条状铜片，所述介质阻挡放电平板电极和辉光放电电极之间的距离为3mm。

图3为本发明所述设有1个第二类辉光放电电极的等离子体刷阵列发生装置的工作原理示意图，介质阻挡放电平板电极17、18与介质阻挡放电电源40形成介质阻挡放电回路，用于对工作气体进行预电离；所述第一类辉光放电电极20、21，第二类辉光放电电极22与限流电阻28串联并与辉光放电电源30形成辉光放电回路，限流电阻28可以限制辉光放电电极之间的电流大小和抑制阴极区域的电场波动，防止辉光放电电极之间的辉光放电转变成弧光放电。该装置工作时，工作气体氩气通过第一流量控制器34以8L/min的流量持续地由工作气体进口14流入气体放电腔室12，工作气体流入气体放电腔室12后首先流经介质阻挡放电平板电极17和18所对应的放电区域发生预电离，预电离后的工作气体流入辉光放电电极所对应的放电区域，被第二类辉光放电电极22平均分配到左右两个电场，被预电离的工作气体被再次击穿，形成等离子体，等离子体在工作气体流速的带动下由等离子体出口喷出即形成稳定的等离子体刷射流25。将所形成的等离子体刷射流25触及到被处理物体的表面，并与其适当地接触及来回移动，即可实现对物体整个表面进行均匀的处理。

若进入气体放电腔室的工作气体为等离子体维持气体与活性气体的混合气体，等离子体维持气体在第一流量控制器34控制下和活性气体在第二流量控制器32控制下经由三通管接头38混合形成工作气体，再经由气体放电腔室12的工作气体进口14流入气体放电腔室。

实施例2-装置结构

本实施例的介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置的结构如图6所示。本实施例装置与实施例1中的装置结构基本相同，所不同的地方是本实施例的装置设置有3个第二类辉光放电电极。第一类辉光放电电极20、21与第二类辉光放电电极22、23、24均匀分布在窄缝结构腔体处，相邻的辉光放电电极接在辉光放电电源的不同输出端上，以使得每两个相邻辉光放电电极之间的电场强度相等，从而产生强度相同的等离子体。

本发明提供介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，可根据实际应用的需要设置多个第二类辉光放电电极以扩大等离子体刷的尺寸。对于尺寸为某一特定值的气体放电腔室而言，所设置的第二类辉光放电电极的个数越多，高压辉光放电电极与低压辉光放电电极之间的距离就越近（但相邻两个辉光放电电极之间的距离最好不要小于2mm），击穿各辉光放电电极之间的工作气体所需要的击穿电压将会更低。

实施例3-对比实验

以下通过实验证实本发明的等离子体刷发生装置能够显著降低辉光放电部分的击穿电压及能耗。在常压下，采用实施例1所述装置及与原有装置（中国专利ZL201210006023.4所述装置）进行对比实验。

原有装置与实施例1所述装置的区别在于实施例1所述装置在原有装置的基础上增加了1个第二类辉光放电电极，将原有的一个辉光放电击穿电场分割为两个辉光放电击穿电场。原有装置的两个辉光放电电极位于介质阻挡放电平板电极下游的气体放电腔室左右两端壁上，两个辉光放电电极之间的距离为28 mm。

原有装置与实施例1所述装置的介质阻挡放电部分保持在相同的电压及电流下工作，工作气体均为氩气，工作气体的流量均为8 L/min，图4为本发明所述设有1个第二类辉光放电电极的等离子体刷阵列发生装置的介质阻挡放电平板电极对工作气体进行预电离的瞬间电流和电压（传导电流）波形图，由图4可知，此时放电电压峰值约为2.5 KV，在外加电压的半个周期内，只出现了一个脉冲峰，电流幅值约为10mA，介质阻挡放电功率P_DBD=17 mW。

图5是实施例1所述装置和原有装置在工作气体获得相同预电离效果的情况下，二者辉光放电回路的电流随电压的变化关系对比曲线，由图5可知，二者辉光放电回路的放电电压皆随着电流的增大先降低后增大，它们随电流变化的走势基本一致；原有装置的击穿电压为1.15 KV，而本发明所述装置击穿电压为0.8 KV，仅为原有装置的2/3，随着电流的增大，维持电压仅为原有装置的1/2。

由该实施例可知，本发明所述装置在原有装置的基础上增加第二类辉光放电电极，能有效降低辉光放电部分的工作气体的击穿电压，减少等离子体放电功率；并且本发明所述装置在相同的介质阻挡放电电源及辉光放电电源的条件下能够产生体积更大的等离子体，相邻电场中产生的等离子体能够合并成一个完整的等离子体刷，因而本发明所述装置在物质表面清理、材料性质改良、杀菌和环境净化的领域有着巨大潜在的应用价值。

本发明不限于上述实施例，可根实际应用需要，设计和制造权利要求所限定的多种结构的介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置。

Claims (10)

1.一种介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，包括由绝缘材料制备的气体放电腔室、一对附着在气体放电腔室上下两侧壁上的介质阻挡放电平板电极和两个位于介质阻挡放电平板电极下游设置在气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极，所述气体放电腔室具有工作气体进口和等离子体出口，气体放电腔室内靠近等离子体出口的部分为窄缝结构，等离子体出口为窄缝口，其特征在于：在所述两个位于气体放电腔室左右两端壁上的第一类辉光放电电极之间窄缝结构的腔体处设有至少一个第二类辉光放电电极，每两个相邻的辉光放电电极之间构成辉光放电电极对，形成辉光放电电场。

2.根据权利要求1所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于相邻两个辉光放电电极之间的距离以能保证辉光放电电极之间的工作气体被击穿形成辉光放电为限。

3.根据权利要求2所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述辉光放电电极沿垂直于工作气体流动方向的方向均匀地分布在窄缝结构腔体处。

4.根据权利要求3所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述辉光放电电极的放电端为平面或针状。

5.根据权利要求4所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述第二类辉光放电电极是以平面为放电端的薄片辉光放电电极，其厚度在0.001~10mm之间。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于辉光放电电极与电源形成的辉光放电回路上串联有限流电阻。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述介质阻挡放电平板电极及辉光放电电极由铜、铁、铝、钨、铂或其合金制备而成；所述气体放电腔室由绝缘陶瓷、聚四氟乙烯制备而成，或者由绝缘陶瓷与聚四氟乙烯的混合物制备而成。

8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述介质阻挡放电平板电极和辉光放电电极之间的距离在0.01mm~10cm之间。

9.根据权利要求1至5中任一权利要求所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述气体放电腔室的形状自工作气体进口至等离子体出口方向逐渐趋于扁平，或者整个气体放电腔室为窄缝结构腔体，所述等离子体出口的宽度与高度之比为5~200:1。

10.根据权利要求9所述介质阻挡增强型多电极辉光放电低温等离子体刷阵列发生装置，其特征在于所述气体放电腔室整体为长方体形的窄缝结构腔体，介质阻挡放电平板电极紧贴窄缝结构腔体的上下两外侧壁，且与等离子体出口的宽边平行，窄缝结构腔体壁作为所述介质阻挡平板电极的放电端面的绝缘介质。

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