CN103561535A - 一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，该装置包括自上而下设置的高压电极、绝缘介质层和接地电极，高压电极和接地电极均由导电材料制成，所述绝缘介质层采用绝缘材料制成；高压电极为空心的箱体结构，该箱体结构的空心部分为高压电极储气腔，箱体结构上具有向高压电极储气腔内充气的进气孔；所述箱体结构的底部，绝缘介质层和接地电极上分别具有多个第一通孔，第二通孔和第三通孔，第一通孔，第二通孔和第三通孔同轴设置且孔径相同。相对于现有的8孔阵列式空气等离子体射流装置，本发明增加了微空心的数量，增大了等离子体射流面积，更有利于实现工业化；更重要的是可以实现阵列微空心均匀放电。

Description

一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置

技术领域

本发明属于气体放电技术领域，特别涉及一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置。

背景技术

大气压非平衡等离子体射流（英文简称为N-APPJ）近年来在国际上引起了重大关注，成为气体放电领域的重要研究课题。相比于传统的气体放电等离子体，N-APPJ的最大优势在于等离子体被喷射出放电区域，操作人员无需接触高压电极，使用的安全性大大提高。此外，N-APPJ摆脱了昂贵的真空系统，且该类射流型等离子体的焦耳发热较低，电能几乎都用于等离子体中粒子活性的激发，在一定条件下，放电温度可以接近室温。目前，N-APPJ已在材料表面改性、等离子体医学等领域获得了广泛的应用。

然而，N-APPJ的研究主要在惰性气体方面，如氦气和氩气等，成本高，不利于实际应用。

微洞阴极放电（英文简称为MHCD），相对于其他产生N-APPJ的方式，如介质阻挡放电（英文简称为Dielectric Barrier Discharge,DBD）等，在非惰性气体（主要指空气和氮气）射流方面有着天然的优势，避免使用价格较为昂贵的惰性气体（氦气和氩气为主），可以大大降低成本，有利于实现工业化。同时，MHCD由于阴极孔存在电子钟摆、二次电子发射以及彭宁效应等，使得MHCD的电离率较高，外加相对较低的电压就能放电，降低了对外部绝缘的要求。 

鉴于微洞阴极放电的以上优点，得到了很多学者的研究和重视。但是，考虑到单孔的直流微洞阴极放电产生的等离子体射流面积较小，不利于应用。为了得到相对较大的放电面积，学者们提出了阵列式多孔的放电结构。而为了维持空心阴极效应，阵列式结构对孔径尺寸有着严格的要求，其加工工艺甚高，且很难实现每孔均同时稳定放电，在实际应用过程中并不能对样品进行严格意义上的均匀处理。

韩国的Hong Y C 课题组使用60Hz的交流电压源作为外部激励，并制作了8孔阵列式空气等离子体射流装置。虽然比单孔直流微洞阴极放电产生的等离子体射流面积大，但在实际应用中，射流面积还是相对较小，仍有局限性。

  

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种可以实现每孔同时稳定放电的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，该装置包括自上而下设置的高压电极、绝缘介质层和接地电极，所述高压电极和接地电极均由导电材料制成，所述绝缘介质层采用绝缘材料制成；所述高压电极为空心的箱体结构，该箱体结构的空心部分为高压电极储气腔，所述箱体结构上具有向高压电极储气腔内充气的进气孔；所述箱体结构的底部具有多个第一通孔，绝缘介质层上具有多个第二通孔，接地电极上具有多个第三通孔，所述多个第一通孔，多个第二通孔和多个第三通孔在竖直方向上一一对应且第一通孔，第二通孔和第三通孔的孔径相同。多个第一通孔，多个第二通孔和多个第三通孔在竖直方向上一一对应，使得竖直方向从上而下相对应的第一通孔，第二通孔和第三通孔同轴形成了多个并列的微空心，增大了等离子体射流的面积。

进一步，所述箱体结构的底部的多个第一通孔，绝缘介质层上多个第二通孔和接地电极上的多个第三通孔均呈阵列式排列。阵列式的排列方式使得第一通孔，第二通孔和第三通形成的多个微空心也呈阵列式排列，可以在箱体结构的底部打更多的第一通孔，相应的可在绝缘介质层上打更多的第二通孔，接地电极上打更多的第三通孔，从而能增加微空心的数量，增大射流面积。

进一步，为防止沿面放电，所述绝缘介质层的尺寸分别大于箱体结构的底部和接地

电极的尺寸。

进一步，还包括绝缘材料制成的装夹装置，所述装夹装置包括上部夹持件和下部夹持件，所述上部夹持件具有高压接线通孔和进气管通孔，所述进气管通孔与进气孔连通且同轴设置，进气管通孔的孔径大于进气孔的孔径，所述下部夹持件具有接地连线通孔；所述上部夹持件和下部夹持件可拆卸连接形成下端开口的空腔，所述开口处将多个第三通孔露出，所述空腔自上而下包括容纳箱体结构并与箱体结构紧配合的箱体容置部分，容纳绝缘介质层并与绝缘介质层紧配合的绝缘介质层容置部分和容纳接地电极并与接地电极紧配合的接地电极容置部分。绝缘材料制成的装夹装置一方面保证了高压电极、绝缘介质层和接地电极在使用过程中不产生相对位移，使第一通孔，第二通孔和第三通孔尽可能保持同轴；另一方面，还保证了绝缘，确保使用的安全性。

进一步，所述装夹装置采用聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯具有耐腐蚀、耐高温和质地轻的特点，同时价格低廉。

进一步，制成高压电极和接地电极的导电材料为耐腐蚀的金属材料，如可采用不锈钢材料、钨和钼等。

进一步，制成绝缘介质层的绝缘材料为陶瓷、云母、石英或聚四氟乙烯材料制成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的技术方案一方面使产生的等离子体射流面积较大有利于实际应用；该发明的射流装置，在箱体结构的底部，绝缘介质层和接地电极上分别设有多个第一通孔，多个第二通孔和多个第三通孔，第一通孔，第二通孔和第三通孔同轴设置形成了多个微空心（也可称为微洞），增大了等离子体射流的面积，在实际应用中可以实现大面积处理；另一方面，工作气体源经流量计通过进气口进入高压电极储气腔，通过储气使各微空心受到的压强一样大，有利于实现每个微空心同时均匀稳定放电，保证了各微空心产生的等离子体特性一致性；与现有的阵列式微空心阴极气体放电等离子体射流装置相比，更有利于实现每个微空心同时均匀稳定放电。

2、与现有的阵列式气体等离子体射流装置相比，本发明提供的方案，由于将高压电极制成了空心的箱体结构，箱体结构内可以储气，即可以保证各微空心受到的气体压强一样大，保证了各微空心产生的等离子体特性一致性。因此，本发明提供的阵列式气体等离子体射流装置，其微空心的数量可在箱体结构的范围内尽可能地增多，而不受其他限制，因此相比现有技术本发明提供的等离子体射流装置可设置更多的微空心，增大了射流面积，有利于实际应用。

  

附图说明

图1为实施例的立体结构示意图。

图2为实施例中箱体结构的底部结构示意图。

图3为实施例中装夹装置的结构示意图。

图中，高压电极10、进气孔11、绝缘介质层20、接地电极30，上部夹持件41，下部夹持件42，高压接线通孔43，接地连线通孔44，进气管通孔45，箱体容置部分46，绝缘介质层容置部分47，接地电极容置部分48。

  

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：参见图1、图2和图3，一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，包括自上而下设置的高压电极10、绝缘介质层20和接地电极30，所述高压电极10和接地电极30均由导电材料制成，所述绝缘介质层20采用绝缘材料制成；所述高压电极10为空心的箱体结构，该箱体结构的空心部分为高压电极储气腔，所述箱体结构上具有向高压电极储气腔内充气的进气孔11；所述箱体结构的底部具有多个第一通孔，绝缘介质层20上具有多个第二通孔，接地电极30上具有多个第三通孔，所述多个第一通孔，多个第二通孔和多个第三通孔在竖直方向上一一对应且第一通孔，第二通孔和第三通孔的孔径相同。保证自上而下相对应的第一通孔，第二通孔和第三通孔同轴设置并形成一个微空心，具体使用时，所述箱体结构的底部的多个第一通孔，绝缘介质层20上多个第二通孔和接地电极30上的多个第三通孔均呈阵列式排列，使得多个微空心均匀布设，这种设置方式不但便于加工，而且还增加了微空心的数量，增大了射流面积，更有利于实现工业化。

箱体结构的底部的厚度（即阴极的厚度）和接地电极30厚度为0.3~2mm，绝缘介质层20的厚度为0.3~1.5mm，第一通孔，第二通孔和第三通孔的孔径相同，均为0.2~1.0mm。将高压电极制成了空心的箱体结构，箱体结构内可以储气，使高压电极储气腔内的压强能一致，保证了箱体结构底部上的所有第一通孔受到的压强一致，从而进一步保证了多个微空心受到的压强相同，实现了多个微空心同时放电。为防止沿面放电，位于箱体结构的底部与接地电极30之间的绝缘介质层的尺寸大于箱体结构的底部的尺寸，具体地，绝缘介质层20的长度大于箱体结构的底部的长度，绝缘介质层20的宽度大于箱体结构的底部的宽度；绝缘介质层20的尺寸还大于接地电极30的尺寸，具体地，绝缘介质层20的长度大于接地电极30的长度，绝缘介质层20的宽度大于接地电极30的宽度。具体实施时，接地电极30的长宽对应地与箱体结构的底部的长宽相等。

阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置还包括绝缘材料制成的装夹装置，优选采用聚四氟乙烯制成装夹装置，装夹装置包括上部夹持件41和下部夹持件42，上部夹持件41具有高压接线通孔43和进气管通孔45，所述进气管通孔45与进气孔11连通且同轴设置，进气管通孔45的孔径大于进气孔11的孔径，所述下部夹持件42具有接地连线通孔44；上部夹持件41和下部夹持件42可拆卸连接形成下端开口的空腔，开口处将多个第三通孔露出，空腔自上而下包括容纳箱体结构并与箱体结构紧配合的箱体容置部分46，容纳绝缘介质层20并与绝缘介质层20紧配合的绝缘介质层容置部分47和容纳接地电极30并与接地电极紧配合的接地电极容置部分48。

装夹装置将作为高压电极10的箱体结构包裹在其空腔中的箱体容置部分46，通过上部夹持件41上的高压接线通孔43将高压电极10与负高压电源相连接，此时，实为高压电极10的箱体结构成为微洞阴极气体放电的阴极，最好采用耐腐蚀性能良好的导电材料，如不锈钢、钼和钨等制成作为高压电极的箱体结构；接地电极30实为微洞阴极气体放电的阳极，通过下部夹持件42上的接地连线通孔44将接地电极30与地线相连接。绝缘介质层20采用绝缘性能良好的材料，如陶瓷、云母、石英或聚四氟乙烯等。

安装实施例中的等离子体射流装置时，关键是确保第一通孔，第二通孔和第三通孔

（经过精密加工尽可能地保证第一通孔，第二通孔和第三通孔的孔径一致）的同轴性。

装夹装置的安装步骤如下：先将接地电极30、绝缘介质层20和作为高压电极的箱体结构依次固定在下部夹持件42上，确保多个第一通孔，多个第二通孔和多个第三通孔一一对应同轴之后，再固定上部夹持件41，最后用螺栓将上部夹持件41和下部夹持件42固定成一体即可完成安装。

箱体结构上设有进气孔11，该进气孔11经流量计与提供气体的进气装置连通，使气体进入高压电极储气腔，为确保进气装置与高压电极10的绝缘性，上部夹持件41上设有孔径大于进气孔11的进气管通孔45，该进气管通孔45最好为螺纹孔，具体实施时，该进气管通孔45可以加工成M5的螺纹通孔（不与高压电极10接触，距离高压电极10留有5mm距离），而进气孔11加工成孔径为3mm的通孔，在进气管通孔45内安装配套的气孔接头，气孔接头的另一端与气管相连，气管再经流量计与提供气体的进气装置相连。使用时，向高压电极储气腔通气，待各微空心所受气体压强相同后，接通高压源，调节电压值，实现微空心同时稳定放电，产生射流。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，该装置包括自上而下设置的高压电极（10）、绝缘介质层（20）和接地电极（30），所述高压电极（10）和接地电极（30）均由导电材料制成，所述绝缘介质层采用绝缘材料制成；所述高压电极（10）为空心的箱体结构，该箱体结构的空心部分为高压电极储气腔，所述箱体结构上具有向高压电极储气腔内充气的进气孔（11）；所述箱体结构的底部具有多个第一通孔，绝缘介质层（20）上具有多个第二通孔，接地电极（30）上具有多个第三通孔，所述多个第一通孔，多个第二通孔和多个第三通孔在竖直方向上一一对应且第一通孔，第二通孔和第三通孔的孔径相同。

2.如权利要求1所述的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，所述箱体结构的底部的多个第一通孔，绝缘介质层（20）上多个第二通孔和接地电极（30）上的多个第三通孔均呈阵列式排列。

3.如权利要求1所述的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，所述绝缘介质层（20）的尺寸分别大于箱体结构的底部和接地电极（30）的尺寸。

4.如权利要求3所述的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，还包括绝缘材料制成的装夹装置，所述装夹装置包括上部夹持件（41）和下部夹持件（42），所述上部夹持件（41）具有高压接线通孔（43）和进气管通孔（45），所述进气管通孔与进气孔（11）连通且同轴设置，进气管通孔的孔径大于进气孔的孔径，所述下部夹持件（42）具有接地连线通孔（44）；

所述上部夹持件（41）和下部夹持件（42）可拆卸连接形成下端开口的空腔，所述开口处将多个第三通孔露出，所述空腔自上而下包括容纳箱体结构并与箱体结构紧配合的箱体容置部分（46），容纳绝缘介质层（20）并与绝缘介质层（20）紧配合的绝缘介质层容置部分（47）和容纳接地电极（30）并与接地电极（30）紧配合的接地电极容置部分（48）。

5.如权利要求4所述的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，所述装夹装置采用聚四氟乙烯制成。

6.如权利要求1所述的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，制成高压电极（10）和接地电极（30）的导电材料为耐腐蚀的金属材料。

7.如权利要求1所述的阵列式微洞阴极气体放电等离子体射流装置，其特征在于，制成绝缘介质层（20）的绝缘材料为陶瓷、云母、石英或聚四氟乙烯材料制成。

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