CN103442507B - 一种产生大气压均匀放电的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生大气压均匀放电的装置及方法。该装置包括放电机构、供气机构和高压电源；所述放电机构包括空心针电极、平板电极和玻璃管；所述空心针电极通过所述玻璃管与所述供气机构相接，所述空心针电极与所述高压电源电相接，所述平板电极与地线相连接。采用本发明所提供的装置可在空气环境中产生大气压均匀放电，因此由大气压均匀放电所产生的低温等离子体脱离了对真空装置的依赖，从而可降低生产成本，易于实现大规模工业化应用；而且，氮气和/或惰性气体沿空心针电极进入放电空间，气体消耗量较小，相比由喷枪产生的大气压均匀放电经济性好。本发明结构简单，操作方便，价格低廉，适合批量生产，有利于推广应用。

Description

一种产生大气压均匀放电的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种低温气体放电方法，具体地说是一种产生大气压均匀放电的装置及方法。

背景技术

气体放电产生的低温等离子体具有非常广泛的应用，例如在工业领域可以制作紫外光源、大面积平板显示器，同时还可以用于微化学分析、生物医学、材料表面改性和加工、环境污染物的处理等，在军事上可用于飞行器减阻、航空器隐身等。因此，低温等离子体技术是一个关系民生医疗、国家能源、环境、国防安全的重要技术。低温等离子体应用虽如此广泛，但它也有明显的局限性。这是由于低温等离子体一般产生在低气压下，因此需要真空设备和随之而来的高昂维护费，同时真空装置的存在不利于实现大规模流水线作业。这些都限制了等离子体技术的研究和应用。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种产生大气压均匀放电的装置，以使低温等离子体在大气压中产生，从而避开对真空装置的依赖，减少低温等离子体技术的研究成本，适于批量生产。

本发明的目的之二就是提供一种产生大气压均匀放电的方法，以在气体消耗量较小的情况下产生大间隙、大气压均匀放电，进而降低运行费用。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生大气压均匀放电的装置，包括放电机构、供气机构和高压电源；

所述放电机构包括空心针电极、平板电极和玻璃管；所述空心针电极与所述高压电源电连接，所述平板电极与地线相连接；所述空心针电极的后端插接在所述玻璃管的前端出气口上，所述空心针电极的前端为放电端，并与所述平板电极的极板板面相对，所述玻璃管的后端进气口连接所述供气机构；

所述供气机构包括供气管路和向所述放电机构提供氮气和/或惰性气体的气瓶或气泵；所述供气管路的一端与所述玻璃管相连通，所述供气管路的另一端接所述气瓶或所述气泵；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述空心针电极与所述平板电极处于大气环境中，在所述高压电源接通使所述空心针电极带电、并且在氮气和/或惰性气体注入并通过所述空心针电极喷出时，在所述空心针电极的放电端与所述平板电极之间形成的放电区域内即可产生大气压均匀放电。

所述平板电极设置在一个绝缘桌面上，极板板面向上；在所述绝缘桌面上设置有纵向导轨，在所述导轨上接有可定位的滑动支架，所述玻璃管固定在所述滑动支架上，使所述空心针电极的放电端向下指向所述平板电极。

在所述放电机构中包括有至少两个所述空心针电极和与所述空心针电极数量相同的平板电极，所述空心针电极并联连接后，再与所述高压电源电连接；所述平板电极并联连接后，再与地线相接；每个所述空心针电极插接在一个所述玻璃管前端的出气口上，所述供气机构中的所述气瓶或气泵为每个所述玻璃管提供氮气和/或惰性气体。

所述高压电源为正极性直流高压电源、负极性直流高压电源或频率为0~20MHz的交流高压电源；所述高压电源的峰值电压为±50kV，所述高压电源的峰值电流为100mA。

在所述高压电源与所述空心针电极之间串接有50kΩ~50MΩ的镇流电阻。

所述平板电极的极板板面为圆形或方形，所述平板电极的极板板面面积远大于所述空心针电极放电端的端部面积。

所述空心针电极的放电端的端面为平面或锥面，所述空心针电极的放电端与所述平板电极极板板面之间的最大放电距离为10cm。

本发明的空心针电极和平板电极处于大气环境中，空心针电极电连接高压电源，平板电极接地，供气机构通过玻璃管向空心针电极提供氮气和/或惰性气体，因此可在空心针电极的放电端与平板电极极板板面之间产生大气压均匀放电，由大气压均匀放电所产生的低温等离子体脱离了对真空装置的依赖，从而可降低生产成本，易于实现大规模工业化应用。

本发明的氮气和/或惰性气体沿空心针电极进入放电机构中的放电空间，气体消耗量小，相比由喷枪产生的大气压均匀放电经济性好。

本发明的两个放电电极之间的间隙大，最大可达10cm，可清楚地观测到放电等离子体；利用该装置可以系统地研究在大气压下辉光、电晕及流光等放电等离子体的激发原理和影响因素，对大气压放电产生的等离子体技术的研究、教学以及工业化应用将会有积极的推广作用。

通过对高压电源极性、氮气和/或惰性气体流量、两个放电电极的间距、空心针电极的内外半径等不同参数的调控，可实现对所产生的大气压均匀放电的控制。在需要时，本发明还可以并联多个放电机构，从而产生具有更大面积或更大体积的大气压均匀放电。本发明结构简单，操作方便，价格低廉，适合批量生产，有利于工业化推广应用。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生大气压均匀放电的方法，包括以下步骤：

a、将空心针电极的后端插入玻璃管的前端出气口内，将所述空心针电极的前部放电端对准平板电极的极板板面；

b、将所述空心针电极与高压电源电连接，将所述平板电极接地；

c、在所述玻璃管的后端进气口上连接供气管路，在所述供气管路的末端连接盛装氮气和/或惰性气体的气瓶或气泵，在所述供气管路上设置气阀、气压表和流量计；

d、打开并调节气阀，使所述气瓶或气泵内的氮气和/或惰性气体以20~50ml/min的流量通过所述供气管路进入所述玻璃管，再通过所述空心针电极的放电端口喷出；

e、打开所述高压电源的开关后即可在所述空心针电极的放电端与所述平板电极的极板板面之间的大气环境中产生大气压均匀放电。

上述产生大气压均匀放电的方法还包括以下步骤：

f、调节所述空心针电极的放电端与所述平板电极极板板面之间的距离，通过高速相机、示波器和光谱仪对所产生的大气压均匀放电进行监测和记录；

g、将所述高压电源的输出电压降至0V后，断开所述高压电源的开关，再关闭所述供气管路上的气阀，整个放电过程结束。

上述方法中步骤c和d中所述氮气和/或惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种，或是任意两种以上的混合气体。

本发明使空心针电极电连接高压电源，使平板电极接地，由供气机构向空心针电极供气，可在空心针电极与平板电极之间产生大间隙、大气压均匀稳定放电；气体由空心针电极进入放电空间，消耗量较小，运行费用低。

附图说明

图1是本发明大气压均匀放电装置的结构示意图。

图2是放电电压为三种正直流高压下拍摄的大气压均匀放电的放电照片。

图3是放电电压为三种负直流高压下拍摄的大气压均匀放电的放电照片。

图中：1、平板电极，2、高压电源，3、镇流电阻，4、气瓶或气泵，5、气阀，6、气压表，7、流量计，8、玻璃管，9、橡皮塞，10、空心针电极。

具体实施方式

实施例1：单组放电电极的产生大气压均匀放电的装置。

如图1所示，本实施例是由单组放电电极所组成的产生大气压均匀放电的装置，该装置包括放电机构、供气机构和高压电源；供气机构用于为放电机构提供所需氮气和/或惰性气体，高压电源2用于为放电机构提供所需放电电压，放电机构可在空气环境中产生大气压均匀放电。

放电机构包括两个放电电极和玻璃管8，两个放电电极分别为空心针电极10和平板电极1。玻璃管8的前端为出气口，玻璃管8的后端为进气口。空心针电极10的后端插接在玻璃管8的前端出气口上，空心针电极10的前端为放电端，空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面相对。空心针电极10通过镇流电阻3与高压电源2电连接，平板电极1与地线相连接。在空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间即形成了放电区域。镇流电阻3的阻值为50kΩ~50MΩ。玻璃管8的后端进气口与供气机构相接，在玻璃管8的进气口和出气口处均设置有橡胶塞9，通过橡胶塞9可使玻璃管8分别与供气机构和空心针电极10严格密封，有效地防止了漏气现象的发生。

供气机构包括供气管路和向放电机构提供氮气和/或惰性气体的气瓶或气泵4；供气管路的一端与玻璃管8的进气口相连通，供气管路的另一端连接气瓶或气泵4。在供气管路上设置有气阀5、气压表6和流量计7。通过气瓶或气泵4提供的工作气体，可以是氮气或任意一种惰性气体（包括氦气、氖气、氩气、氪气和氙气等），也可以是氮气与某种惰性气体按任意比例组成的混合气体。考虑到成本问题，一般选用价格相对便宜的氦气或氩气。

上述工作气体经由供气管路和玻璃管8，再通过空心针电极10喷出，进入放电空间，其作用，一方面可降低放电空间的温度，另一方面是用以消除空气中氧气对大气压均匀放电的影响。

空心针电极10与平板电极1处于大气环境中，在高压电源2接通使空心针电极10带电、并且在氮气和/或惰性气体注入并通过空心针电极10喷出时，在空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间形成的放电区域内即可产生大气压均匀放电。

本发明中两个放电电极之间的间距大小可调，空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间在轴线上的最大距离可达到10cm。

在本实施例中，平板电极1可以水平放置在一个绝缘桌面上，平板电极1的极板板面向上；在绝缘桌面上还设置有纵向导轨，在导轨上接有可定位的滑动支架，玻璃管8固定在该滑动支架上，使空心针电极10的放电端向下指向平板电极1。通过改变滑动支架在导轨上的高低位置，即可调整空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间的距离。

空心针电极10可以是采用不锈钢或其他金属材料制作而成的空心针，空心针电极10的内外半径可根据需要而设定。空心针电极10的放电端端面可以为平面，也可以是具有一定曲率的锥面。

平板电极1可以是采用铜或铝等金属材料制作而成的平板，平板电极1的极板板面可以是圆形或方形等不同的几何形状。平板电极1的极板板面面积一般在100cm²以上，而空心针电极10放电端的端部面积一般在5cm²以下，所以，平板电极1的极板板面面积远大于空心针电极10放电端的端部面积。

高压电源2可以为正极性或负极性的直流高压电源，也可以是频率为0~20MHz的交流高压电源。高压电源2的峰值电压为±50kV，高压电源2的峰值电流为100mA。

放电机构中的玻璃管8、空心针电极10以及平板电极1可以根据具体需要增大或者缩小形状。由空心针电极10喷出的气体流量的大小，可通过气阀5进行调节。

实施例2：多组放电电极的产生大气压均匀放电的装置。

本实施例是一种包括有多组放电电极的产生大气压均匀放电的装置，即在放电机构中包括有至少两个空心针电极10和与空心针电极10数量相同的平板电极1，所有空心针电极10并联连接后，再与高压电源2电连接；所有平板电极1并联连接后，再与地线相接。每个空心针电极10插接在一个玻璃管8前端的出气口上，供气机构中的气瓶或气泵4为每个玻璃管8提供氮气和/或惰性气体。所有玻璃管8可以共同连接同一个气瓶或气泵4上，也可以分别连接一个气瓶或气泵4。通过多个放电电极的并联，可有效地增大所产生的大气压均匀放电的面积或者体积。

实施例3：正直流高压下产生大气压均匀放电的方法。

首先按图1所示连接各部件。本实施例中所用玻璃管8长度为5cm，半径为1cm；橡皮塞9中所插空心针电极10的内外半径分别为0.9cm和1.2cm，空心针电极10在橡皮塞9外露出1cm。平板电极1为一铜柱，铜柱的半径为5cm。高压电源2采用正极性的直流高压电源，电压为0~15kV，电流为0~40mA，电路中镇流电阻3为700kΩ。供气机构采用气瓶供气，所供气体为氩气。

打开气阀5，调节氩气流量为30mL/min；之后打开高压电源2开关，调节高压电源2电压，电压约为7kV的时候将会在空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间产生大气压均匀放电。

调节空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间的距离为2.5cm。如果需要采用放电等离子体对材料进行处理时，则此时即可将待处理的材料放入放电空间。

打开高速相机、示波器和光谱仪等仪器对放电参数进行监测和记录。本实施例中采用佳能EOS7D拍摄两放电电极之间所产生的大气压均匀放电的放电照片，拍摄时曝光时间为1s。调节高压电源2的放电电压分别为10kV、12kV和14kV时，所产生的大气压均匀放电情况依次对应于图2(a)、图2(b)和图2(c)的三种图示情况。

通过图2中三幅放电图片的对比，结合图片中的标尺可见，本发明的大气压均匀放电装置可在正直流高压下，一方面，可产生放电等离子体；另一方面，随着放电电压的增大，放电等离子体的长度、面积和体积都明显增大。

待对大气压均匀放电监测记录完毕，将高压电源2的输出电压降至0V，断开高压电源2的开关，再关闭供气管路上的气阀5，则整个放电过程结束。

实施例4：负直流高压下产生大气压均匀放电的方法。

本实施例与实施例3所采用的大气压均匀放电装置基本相同，不同之处，一是高压电源2采用了负极性的直流高压电源，二是空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间的距离有所改变。

首先，调节空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间的距离为2cm，调节高压电源2的放电电压分别为8kV和12kV，在这两种不同的放电电压下产生的大气压均匀放电，分别采用高速相机进行拍摄，拍照时曝光时间为40ms，所得大气压均匀放电的照片如图3(a)和图3(b)所示。

之后，再调节空心针电极10的放电端与平板电极1的极板板面之间的距离为1.2cm，高压电源2的放电电压仍为12kV，对所产生的大气压均匀放电采用高速相机拍摄，拍照时曝光时间为40ms，所得放电照片如图3(c)所示。

通过图3中三幅放电图片的对比，结合图片中的标尺可见，本发明的大气压均匀放电装置在负直流高压条件下，一方面，可产生放电等离子体；另一方面，随着放电电压的增大，放电等离子体的长度、面积和体积都有明显增大，两放电电极之间间距的改变，也对所产生的放电等离子体有一定的影响。

Claims (6)

1.一种产生大气压均匀放电的装置，其特征是，包括放电机构、供气机构和高压电源；

所述放电机构包括空心针电极、平板电极和玻璃管；所述空心针电极与所述高压电源电连接，所述平板电极与地线相连接；所述空心针电极的后端插接在所述玻璃管的前端出气口上，所述空心针电极的前端为放电端，并与所述平板电极的极板板面相对，所述玻璃管的后端进气口连接所述供气机构；

所述供气机构包括供气管路和向所述放电机构提供氮气和/或惰性气体的气瓶或气泵；所述供气管路的一端与所述玻璃管相连通，所述供气管路的另一端接所述气瓶或所述气泵；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述空心针电极与所述平板电极处于大气环境中，在所述高压电源接通使所述空心针电极带电、并且在氮气和/或惰性气体注入并通过所述空心针电极喷出时，在所述空心针电极的放电端与所述平板电极之间形成的放电区域内即可产生大气压均匀放电；

在所述放电机构中包括有至少两个所述空心针电极和与所述空心针电极数量相同的平板电极，所述空心针电极并联连接后，再与所述高压电源电连接；所述平板电极并联连接后，再与地线相接；每个所述空心针电极插接在一个所述玻璃管前端的出气口上，所述供气机构中的所述气瓶或气泵为每个所述玻璃管提供氮气和/或惰性气体。

2.根据权利要求1所述的产生大气压均匀放电的装置，其特征是，所述平板电极设置在一个绝缘桌面上，极板板面向上；在所述绝缘桌面上设置有纵向导轨，在所述导轨上接有可定位的滑动支架，所述玻璃管固定在所述滑动支架上，使所述空心针电极的放电端向下指向所述平板电极。

3.根据权利要求1或2所述的产生大气压均匀放电的装置，其特征是，所述高压电源为正极性直流高压电源、负极性直流高压电源或频率为0~20MHz的交流高压电源；所述高压电源的峰值电压为±50kV，所述高压电源的峰值电流为100mA。

4.根据权利要求1或2所述的产生大气压均匀放电的装置，其特征是，在所述高压电源与所述空心针电极之间串接有50kΩ~50MΩ的镇流电阻。

5.根据权利要求1或2所述的产生大气压均匀放电的装置，其特征是，所述平板电极的极板板面为圆形或方形，所述平板电极的极板板面面积远大于所述空心针电极放电端的端部面积。

6.根据权利要求1或2所述的产生大气压均匀放电的装置，其特征是，所述空心针电极的放电端的端面为平面或锥面，所述空心针电极的放电端与所述平板电极极板板面之间的最大放电距离为10cm。