CN104812154A - 一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，包括石英玻璃管，在石英玻璃管的外壁上设置有高压电极和地电极，其中，高压电极接高压交流电源，地电极接地；在石英玻璃管内壁上设置有内电极，其作为悬浮电位工作，且内电极位于高压电极和地电极之间；工作时，通过在石英玻璃管靠近高压电极一侧管口通入工作气体，在电压作用下，即在石英玻璃管内产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管靠近地电极一侧管口引出。本发明通过设置一个悬浮电位的内电极，使石英玻璃管内的最大场强得到增强，有效降低了放电起始电压，增加了使用时的安全性，可以作为生物活体实验、皮肤病治疗以及一些手持式设备的等离子体发生装置。

Description

一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置

技术领域：

本发明属于气体放电技术领域，涉及一种放电等离子体的产生技术，具体涉及一种三电极介质阻挡放电等离子体产生装置。

背景技术：

大气压低温等离子体中含有大量的激发态原子、分子、OH自由基等活性粒子，其化学反应活性极强，易于和所接触的材料表面发生反应，在很多领域都有着及其广泛的应用前景，例如材料改性、废气处理、臭氧合成、消毒灭菌等等。介质阻挡放电(DBD)作为一种特殊的气体放电形式，通过在电极间引入阻挡介质，可以在放电时限制电流的自由增长，阻止了电极间火花放电或弧光放电的形成，具有放电功率密度式中的特点，并可采取多种放电结构、混合气体和工作条件，具有较强的适应性。

其中，通过流体驱动，用气流将放电等离子体引出放电区域，而到达开放空间作为工作区域的等离子体射流装置，作为一种特殊的介质阻挡放电结构，更是有着显著的优点，特别是在近几年兴起的等离子体生物医学方面上有至关重要的应用。随着大气压低温等离子体在生物医学方面的应用越来越广泛，已经有报导指出，等离子体技术已经应用于活体的研究，包括牙齿漂白、组织创伤修复，皮肤病治疗，肿瘤细胞的杀灭等等。然而对于活体而言，不论是动物实验或是人体实验，处理活体的等离子体发生装置的安全性能是一项非常重要的指标。由于等离子体反应机理及其副作用仍然不明确，等离子体用于活体研究的安全性能成为制约其发展的重要因素。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其能够利用射流型介质阻挡放电的形式，在空气中大气压下产生安全、高效的放电等离子体，能够用于生物医学中等离子体处理活体的研究。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，包括石英玻璃管，在石英玻璃管的外壁上设置有高压电极和地电极，其中，高压电极接高压交流电源，地电极接地；在石英玻璃管的内壁上设置有内电极，其作为悬浮电位工作，且内电极位于高压电极和地电极之间；

工作时，通过在石英玻璃管靠近高压电极一侧管口通入工作气体，在电压作用下，即在石英玻璃管内产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管靠近地电极一侧管口引出。

本发明进一步的改进在于，高压电极和地电极均为环状金属电极。

本发明进一步的改进在于，工作气体为氩气或者氦气。

本发明进一步的改进在于，内电极为环状金属电极或者多孔圆柱状金属电极。

本发明进一步的改进在于，石英玻璃管的长度为150-200mm，其壁厚为1mm，内径为8mm；高压电极、地电极和内电极的长度均为10mm，壁厚均为0.5mm；高压电极和地电极之间的距离为15mm-20mm。

一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，包括石英玻璃管，在石英玻璃管的外壁上设置有高压电极和地电极，其中，高压电极接高压交流电源，地电极接地；在石英玻璃管的内壁上设置有内电极，其作为悬浮电位工作；在石英玻璃管内，内电极的一端与高压电极部分重叠，其另一端靠近地电极；

工作时，通过在石英玻璃管靠近高压电极一侧管口通入工作气体，在电压作用下，即在石英玻璃管内产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管靠近地电极一侧管口引出。

本发明进一步的改进在于，高压电极和地电极均为环状金属电极；内电极为环状金属电极或者多孔圆柱状金属电极。

本发明进一步的改进在于，工作气体为氩气或者氦气。

本发明进一步的改进在于，内电极与高压电极重叠部分的长度为2-3mm。

本发明进一步的改进在于，石英玻璃管的长度为150-200mm，其壁厚为

1mm，内径为8mm；高压电极、地电极和内电极的长度均为10mm，壁厚均为0.5mm；高压电极和地电极之间的距离为15mm-20mm，内电极与高压电极重叠部分的长度为2-3mm。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，可以改变电场强度及其分布，这种电场强度及其分布的改变有两个方面的意义：1、在相同的施加电压下，与没有内电极的情况相比，可以增大放电电流，使等离子体中的粒子活性增强，在材料改性、废气处理、臭氧合成、消毒灭菌以及牙齿漂白等领域，可以用来增强其反应效率；2、内电极的设置改变了石英玻璃管内部的电场，使电场更为集中，场强得到大幅增强，从而使放电电压降低，在更低的电压下产生介质阻挡放电等离子体，增加了安全性，在组织创伤修复，皮肤病治疗，肿瘤细胞的杀灭等生物医学活体研究领域有重大的意义和应用前景。

附图说明：

图1为本发明三电极介质阻挡放电等离子体发生装置的结构示意图。

图中：1－石英玻璃管；2－高压电极；3－地电极；4－工作气体；5－内电极。

图2为图1的左视图。

图3为内电极为环状金属电极的结构示意图。

图4为内电极为多孔圆柱状金属电极的结构示意图。

图5为没有内电极结构下该装置的电场强度(模值)分布仿真结果图，其中电场强度的单位为kV/m。

图6为内电极偏向高压电极时该装置的电场强度(模值)分布仿真结果图，其中电场强度的单位为kV/m。

图7为内电极安放在两个外电极中间，没有偏向任意一个外电极时该装置的电场强度(模值)分布仿真结果，其中电场强度的单位为kV/m。

图8为内电极偏向地电极时该装置的电场强度(模值)分布仿真结果图，其中电场强度的单位为kV/m。

图9为无内电极，该装置放电时实测得到的电压电流波形图。

图10为有内电极，该装置放电时实测得到的电压电流波形图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。

参照图1至图4，本发明一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，包括石英玻璃管1，在石英玻璃管1的外壁上设置有高压电极2和地电极3，其中，高压电极2和地电极3均为环状金属电极，高压电极2接高压交流电源，地电极3接地；在石英玻璃管1的内壁上设置有内电极5，其既不接电源，也不接地，而是作为悬浮电位工作，且内电极5位于高压电极2和地电极3之间。这种内电极3的设置可以改变石英玻璃管1内的电场分布，使其集中在内电极-工作气体氩气或者氦气-介质石英玻璃管的三结合点处，并且大幅增大其最大场强。

工作时，通过在石英玻璃管1靠近高压电极2一侧管口通入工作气体4，在电压作用下，即在石英玻璃管1内产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管1靠近地电极3一侧管口引出。其中，工作气体4为氩气或者氦气。

参见图3和图4，内电极5为环状金属电极或者多孔圆柱状金属电极。在石英玻璃管1内，内电极5的一端与高压电极2部分重叠，其另一端靠近地电极3，以保证电场集中的区域在内电极的近管口侧，更有利于放电的产生以及气流将等离子体引出。且内电极5与高压电极2重叠部分的长度为2-3mm。

实施例：

本发明的装置包括一个石英玻璃管1，其长度为150-200mm，具有绝缘性能好、重量轻、透明等优点，可以清晰观察放电等离子体的发光特性，石英玻璃管1的壁厚为1mm，内径为8mm。距管口为10mm处设置了地电极3，距地电极3为15mm-20mm处设置了高压电极2，地电极3和高压电极2为两个外电极，都是圆环状金属电极，紧贴石英玻璃管1。在石英玻璃管1内部，两个外电极之间的位置设置了圆环状或多孔圆柱状的第三个金属电极，即内电极5，紧贴石英玻璃管1内部，偏向高压电极2的位置。所有电极长度均为10mm，壁厚均为0.5mm，内电极5与高压电极2重叠部分的长度为2mm。工作时高压电极2接高压交流电源，地电极3接地，内电极5作为悬浮电位。

参照图5、图6、图7和图8，这是本发明的仿真分析结果。

从图5可以看出，对装置施加频率为21kHz、峰值为10.7kV正弦交流电压，当没有内电极时，玻璃管内部的电场主要集中在两个外电极之间的区域，玻璃管内最大场强为0.73×10³kV/m。

从图6可以看出，对装置施加频率为21kHz、峰值为10.7kV正弦交流电压，当内电极偏向高压电极时，玻璃管内部的电场主要集中在内电极与地电极之间的区域，玻璃管内最大场强为2.8×10³kV/m，是无内电极情况最大场强的3.84倍，并且电场有效集中在了更靠近管口的区域。

从图7可以看出，对装置施加频率为21kHz、峰值为10.7kV正弦交流电压，当内电极位于两个外电极之间，不偏向任意一个外电极时，玻璃管内部的电场主要集中在内电极两侧的区域，玻璃管内最大场强为3×10³kV/m，虽然最大电场得到了有效的提高，但是电场分布并没有有效的集中。

从图8可以看出，对装置施加频率为21kHz、峰值为10.7kV正弦交流电压，当内电极偏向地电极时，玻璃管内部的电场主要集中在高压电极与内电极之间，玻璃管内最大场强为2.7×10³kV/m，最大电场及其分布都得到了改善，

但其距离管口较远，不利于气流将等离子体引出。

参照图9和图10，这是本发明的实验结果。

通过实验得出，在频率为21kHz的交流电压下，无内电极时，该装置的放电电压峰值为11kV，有内电极时，该装置的放电电压峰值为4.5kV，可见内电极的引入的确有效降低了放电电压。

从图9可以看出，对装置施加频率为21kHz、峰值为10.7kV正弦交流电压，无内电极时，其最大放电电流的峰峰值为I_p-p＝62.1mA。

从图10可以看出，对装置施加频率为21kHz、峰值为10.7kV正弦交流电压，有内电极时，其最大放电电流的峰峰值为I_p-p＝99.2mA，可见，在相同的激励电压下，内电极的引入的确使放电电流得到了有效的提升。

Claims (10)

1.一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，包括石英玻璃管(1)，在石英玻璃管(1)的外壁上设置有高压电极(2)和地电极(3)，其中，高压电极(2)接高压交流电源，地电极(3)接地；在石英玻璃管(1)的内壁上设置有内电极(5)，其作为悬浮电位工作，且内电极(5)位于高压电极(2)和地电极(3)之间；

工作时，通过在石英玻璃管(1)靠近高压电极(2)一侧管口通入工作气体(4)，在电压作用下，即在石英玻璃管(1)内产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管(1)靠近地电极(3)一侧管口引出。

2.根据权利要求1所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，高压电极(2)和地电极(3)均为环状金属电极。

3.根据权利要求1所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，工作气体(4)为氩气或者氦气。

4.根据权利要求1所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，内电极(5)为环状金属电极或者多孔圆柱状金属电极。

5.根据权利要求1所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，石英玻璃管(1)的长度为150-200mm，其壁厚为1mm，内径为8mm；高压电极(2)、地电极(3)和内电极(5)的长度均为10mm，壁厚均为0.5mm；高压电极(2)和地电极(3)之间的距离为15mm-20mm。

6.一种三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，包括石英玻璃管(1)，在石英玻璃管(1)的外壁上设置有高压电极(2)和地电极(3)，其中，高压电极(2)接高压交流电源，地电极(3)接地；在石英玻璃管(1)的内壁上设置有内电极(5)，其作为悬浮电位工作；在石英玻璃管(1)内，内电极(5)的一端与高压电极(2)部分重叠，其另一端靠近地电极(3)；

工作时，通过在石英玻璃管(1)靠近高压电极(2)一侧管口通入工作气体(4)，在电压作用下，即在石英玻璃管(1)内产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管(1)靠近地电极(3)一侧管口引出。

7.根据权利要求6所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，高压电极(2)和地电极(3)均为环状金属电极；内电极(5)为环状金属电极或者多孔圆柱状金属电极。

8.根据权利要求6所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，工作气体(4)为氩气或者氦气。

9.根据权利要求6所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，内电极(5)与高压电极(2)重叠部分的长度为2-3mm。

10.根据权利要求6所述的三电极介质阻挡放电等离子体发生装置，其特征在于，石英玻璃管(1)的长度为150-200mm，其壁厚为1mm，内径为8mm；高压电极(2)、地电极(3)和内电极(5)的长度均为10mm，壁厚均为0.5mm；高压电极(2)和地电极(3)之间的距离为15mm-20mm，内电极(5)与高压电极(2)重叠部分的长度为2-3mm。