CN104918402A - 一种常压高压协同射频辉光射流放电的装置及其放电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种常压高压协同射频辉光射流放电的装置及其放点方法。所述装置包括放电管体，放电管体上依次设有第一组电极、共同电极、第二组电极三组电极，第一组电极接高压源、共同电极接地，第二组电极接射频源。放电方法为：将反应气体通入介质阻挡从进气口进入放电管体中，利用高压辅助射频放电产生等离子体射流；先通过高压介质阻挡辉光放电，利用其产生的等离子体中的电子、离子以及激发态粒子来帮助射频介质阻挡辉光放电起辉，降低射频放电的起辉电压。本发明先通过高压源电极组放电起辉，利用其产生的等离子体来辅助常压射频放电起辉，可以得到高密度、高活性、气体温度可控的常压射流等离子体放电。
Description
技术领域
本发明涉及常压辉光放电技术领域，特别是涉及一种常压高压协同射频辉光射流放电的装置及其放电方法。
背景技术
辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，因放电时管内出现特有的辉光而得名，应用也最广泛。常压辉光放电是在常压下产生的一种低温等离子体，由于其摒弃了昂贵的真空系统，放电均匀柔和，在较低的温度下就可获得等离子体应用的各种活性粒子，为处理材料的表面特性提供了一项高效、低温处理新技术，其在薄膜制备、材料表面改性、灭菌消毒、废弃物处理等领域都具有巨大的的应用前景，是目前常压冷等离子体研究的重点和热点之一。
影响常压辉光放电的关键因素是辉光放电的形式，目前常规采用的是激发频率在兆赫兹范围的常压射频辉光放电和激发频率在千赫兹范围的常压介质阻挡放电。由于射频放电频率高(MHz)射频等离子体放电在时间上是连续的，且常压射频放电的击穿和维持电压都较低(几百伏)，能够产生更高的等离子体密度(1010-1013cm-3)，但常压下射频放电起辉难，一般需要氦气作为放电气体，故成本较高。常压介质阻挡辉光放电在每半个激发频率时间周期内产生一次或多次放电，放电电流密度在几个mA/cm2范围，为脉冲型放电。放电击穿电压和维持电压一般大于千伏(kV)，放电获得的等离子体温度低(接近室温)、其等离子体密度相对较低(108-1010cm-3)，但是由于高压作用，起辉容易，甚至在大气环境中能获得放电。目前急需发展一种在提高等离子体密度和活性的同时，气体温度可控、低能耗、低成本、稳定均匀的常压辉光放电技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种常压高压协同射频辉光射流放电的方法，在提高等离子体密度和活性的同时，提供一种低能耗和低成本的常压射频辉光射流放电方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种常压高压协同射频辉光射流放电的装置，其特征在于，包括放电管体，放电管体上依次设有第一组电极、共同电极、第二组电极三组电极，第一组电极接高压源、共同电极接地，第二组电极接射频源。
优选地，所述射频源采用交流电，其频率为2MHz-100MHz，功率为5W-1000W；所述高压源为直流脉冲或高压交流源，其频率为1Hz-1KHz，功率为30W-1000W。
优选地，所述放电管体采用截面为圆形的石英管，其内直径为6mm，壁厚为1mm，长度为450mm；三组电极的尺寸均为200mm*5mm*0.5mm；所述第一组电极与共同电极之间的距离为0.5cm，所述共同电极与第二组电极之间的距离为1-20cm内可调。
本发明还提供了一种常压高压协同射频辉光射流放电的放电方法，其特征在于，采用上述常压高压协同射频辉光射流放电的装置，将反应气体通入介质阻挡从进气口进入放电管体中，利用高压辅助射频放电产生等离子体射流；先通过高压介质阻挡辉光放电，利用其产生的等离子体中的电子、离子以及激发态粒子来帮助射频介质阻挡辉光放电起辉，降低射频放电的起辉电压。
优选地，所述的反应气体为氩气、氦气或氧气，载气流量为0.1-5SLM。
优选地，所述常压高压协同射频辉光射流放电反应器为等离子体射流反应器。
优选地，所述的介质阻挡放电等离子体反应器的阻挡介质为石英、聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷、玻璃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的是高压放电协同射频放电而不是单独的高压的辉光放电或者射频放电。高压放电可用脉冲直流放电或千赫兹交流，其电流密度低(几个mA/cm2)，放电击穿电压和维持电压较高，一般大于千伏(kV)容易起辉放电，放电气体温度低(接近室温)、其峰值等离子体密度也较低(108-1010cm-3)。而射频放电的击穿和维持电压都较低(几百伏)，能够产生更高的等离子体密度(1010-1013cm-3)，对于射频连续放电，放电热积累效应也很明显，等离子体的气体温度也很高，约为200-500℃，常压下起辉不易，多用氦气做放电气体，成本很高。
本发明的材料来源丰富、价格低廉，适合于各种射频等离子体射流辉光放电。本发明拥有装置简单，操作方便、放电污染小、放电较易起辉、活性粒子浓度高等优点，由于本发明可以在开放的大气环境下进行，省去了高昂的真空设备，减低了成本，降低了射频放电的起辉电压，提高了活性粒子的浓度，增加的其在工业应用中的可行性。
附图说明
图1为本发明提供的常压高压协同射频辉光射流放电的装置的结构示意图；
图2为不同电极距离的射频放电的击穿电压图谱；
图3为不同电极距离的750nm光谱强度图谱。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1所示，包括放电管体1，放电管体1的一端为进气口5，另一端为出气口6。放电管体1上依次设有第一组电极2、共同电极3、第二组电极4三组电极，第一组电极2接高压源、共同电极3接地，第二组电极4接射频源。射频源采用交流电，其频率为2MHz-100MHz，功率为5W-1000W；所述高压源为直流脉冲或高压交流源，其频率为1Hz-1KHz，功率为30W-1000W。放电管体1采用截面为圆形的石英管，其内直径为6mm，壁厚为1mm，长度为450mm；三组电极的尺寸均为200mm*5mm*0.5mm；所述第一组电极2与共同电极3之间的距离L1为0.5cm，所述共同电极3与第二组电极4之间的距离L2为1-20cm内可调。
放电方法的具体步骤为：
常温常压下，将流量为2000sccm的放电气体要求由进气口5通入到高压协同射频等离子体射频的反应器中，先在第二组电极44上通千赫兹高压交流电使所述放电气体产生等离子体射流，减小放电功率使等离子体射流放电保持稳定电流值，再在共同电极3上通射频交流电使射频电极和接地电极之间产生等离子体射流。通过高压探头记录等离子体射流放电时的电压电流的峰-峰值和曲线，通过光谱仪获得放电时等离子体发射光谱中不同谱线的相对强度。
如图2所示，为本实施例在保证千赫兹放电电流密度不变，千赫兹的电极和接地电极之间不同距离时射频放电起辉电压的图谱。在常温常压下，放电气体为氩气时，单独使用射频交流电较难起辉。通过先产生千赫兹的等离子体射流，利用其产生的电子、离子和激发态粒子，可以帮助射频放电起辉，显著降低其起辉电压。进一步发现在不断减小千赫兹电极和接地电极之间的距离，射频放电的起辉电压逐渐降低。这主要是由于电极间的间距变小了，有更多的电子、离子和激发态粒子进入到射频电极和接地电极之间，帮助射频放电的起辉。
如图3所示，为本实施例不同放电电流密度时750nm处的光谱强度谱图。在氩气放电中，750nm处的发光谱线强度表征了能量大于13.5eV的电子的密度。这些高能粒子是放电产生的等离子体中主要的活性粒子。因此，750nm处的发光谱线强度表征了放电中产生的等离子体的活性。在每个放电间隙，发光谱线强度都随放电电流的增大而单调增大，也就是说，随着放电电流的增大，产生等离子体的活性也随之增强，可以得出放电间隙越小，放电强度越大，等离子体活性越强。
因此，本发明提供的常压高压协同射频辉光放电的方法可以显著的降低射频放电的起辉电压，使射频放电起辉更加容易，提高了放电时各种活性粒子的浓度，有一定的实际应用前景。
Claims (7)
1.一种常压高压协同射频辉光射流放电的装置，其特征在于，包括放电管体(1)，放电管体(1)上依次设有第一组电极(2)、共同电极(3)、第二组电极(4)三组电极，第一组电极(2)接高压源、共同电极(3)接地，第二组电极(4)接射频源。
2.如权利要求1所述的常压高压协同射频辉光射流放电的装置，其特征在于，所述射频源采用交流电，其频率为2MHz-100MHz，功率为5W-1000W；所述高压源为直流脉冲或高压交流源，其频率为1Hz-1KHz，功率为30W-1000W。
3.如权利要求1所述的常压高压协同射频辉光射流放电的装置，其特征在于，所述放电管体(1)采用截面为圆形的石英管，其内直径为6mm，壁厚为1mm，长度为450mm；三组电极的尺寸均为200mm*5mm*0.5mm；所述第一组电极(2)与共同电极(3)之间的距离(L1)为0.5cm，所述共同电极(3)与第二组电极(4)之间的距离(L2)为1-20cm内可调。
4.一种常压高压协同射频辉光射流放电的放电方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任意一项所述的常压高压协同射频辉光射流放电的装置，将反应气体通入介质阻挡从进气口(5)进入放电管体(1)中，利用高压辅助射频放电产生等离子体射流；先通过高压介质阻挡辉光放电，利用其产生的等离子体中的电子、离子以及激发态粒子来帮助射频介质阻挡辉光放电起辉，降低射频放电的起辉电压。
5.如权利要求4所述的常压高压协同射频辉光射流放电的放电方法，其特征在于，所述的反应气体为氩气、氦气或氧气，载气流量为0.1-5SLM。
6.如权利要求4所述的常压高压协同射频辉光射流放电的放电方法，其特征在于，所述常压高压协同射频辉光射流放电反应器为等离子体射流反应器。
7.如权利要求6所述的常压高压协同射频辉光射流放电的放电方法，其特征在于，所述的介质阻挡放电等离子体反应器的阻挡介质为石英、聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷、玻璃。
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150916 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |