CN104936371B

CN104936371B - 一种空心电极介质阻挡结构

Info

Publication number: CN104936371B
Application number: CN201510313424.8A
Authority: CN
Inventors: 于双; 王凯乐; 张珏; 方竞
Original assignee: Beijing Thirty-Four Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing thirty-four Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2035-06-09
Also published as: CN104936371A

Abstract

本发明涉及一种空心电极介质阻挡结构，它包括腔体，腔体顶部设置有高压电极，腔体底部设置有地极，且高压电极一端和地极一端连接电源，形成空心放电结构；位于高压电极上设置有进气口，工作气体经进气口进入空心放电结构内；在进气口上还设置有由现有控制设备控制工作的气体调控开关；位于地极上设置有出气口，电源作用于高压电极上产生的等离子体射流由出气口喷射而出。本发明具有较强的反冲效应，可有效激发空气且电子密度高达10¹⁵/cm3数量级。而且，该阻挡结构激发形成的等离子体射流温度接近室温，人体可以不受电击地安全触摸，且空心放电结构周围几乎无臭氧。本发明可以广泛在包括纳米材料、生物医学及环境工程在内的更多领域中应用。

Description

一种空心电极介质阻挡结构

技术领域

本发明涉及一种气体放电结构，特别是关于一种用于形成空气等离子体射流的空心电极介质阻挡结构。

背景技术

等离子体是物质的第四态，通常由正离子、中性粒子和电子组成。一般等离子体根据温度可以分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又可以分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体中所有粒子的温度都一样，而冷等离子体中电子的温度高达数万度，而离子和中性粒子的温度远小于电子温度，因此整体温度比较低。冷等离子体中有丰富的活性基团，可以广泛用于材料表面改性、纳米材料制备、生物医学应用以及环境工程等领域。

冷等离子体通常由电晕或介质阻挡放电结构激发产生。传统介质阻挡放电结构由两平行电极板组成，至少其中一个电极板内表面被绝缘介质材料覆盖，用以限制放电电流或避免电弧的出现。为保证稳定的放电模式，两电极间一般限制在几个毫米的宽度。气流以垂直于电场的方向流入放电间隙中，通过正弦或脉冲电源激发形成放电。常见介质阻挡放电除平板结构还有同轴结构，但是由于放电间隙极为小，因此被处理物品的形状和大小就收到了限制。后来又将被处理物品放于放电结构出气端，虽然被处理物品的尺寸限制减小了，但由于等离子体中许多活性成分的寿命非常短暂，使得等离子体还没到达处理表面就已经消失活性，大大降低处理效率。正因如此，大气压低温等离子体射流装置的研究备受关注；目前，以介质阻挡放电为原理的大气压低温等离子体射流装置可以分为两大类：1、绝缘管外壁分别缠绕高压极和地极，或仅缠绕高压极。如图1所示，M.Teschke et.al.“High-Speed Photographs of a Dielectric Barrier Atmospheric Pressure Plasma Jet”IEEE Trans.Plasma Sci.33(2),310-311(2005)中第一次描述了以氦气为工作气体的等离子体射流装置，该结构包括高压电极2和地极3缠绕在介质管1的外表面，形成介质阻挡放电结构。工作时，交流电源4调至13kHz频率，7kV高压，氦气5以16.5m/s的速度由进气口7通过介质管形成等离子体射流6。2、绝缘管中心插入高压极，而绝缘管外壁缠绕地极。如图2所示，X.P.Lu et.al.“An 11cm long atmospheric pressure cold plasma plume forapplications of plasma medicine”Appl.Phys.Lett.92,081502(2008)中介绍了可喷射长达11cm的等离子体射流装置，该结构包括高压电极2插于介质管1的中央，地极3缠绕于介质管外壁，形成介质阻挡放电结构。工作气体为氦气5，以15l/min的速度通过介质管，40kHz频率和5kV电压的电源4作用于高压电极2上，激发后产生11cm长的等离子体射流6。上述两种介质阻挡放电射流结构广泛应用，但是这两种结构仅能激发稀有气体或含有稀有气体的混合气体，不能激发空气。

空气中含有丰富的氮气和氧气分子，且空气免费使用，因此空气等离子体射流装置更被人们期待。但是氮气和氧气都是双原子分子，转动能级和振动能级都比电子能级小，从电场中获得的能量会有限被转动能级和振动能级吸收，剩余的能量才会用来离化分子；同时，氧气分子有较强的电负性，因此，激发空气的难度大大增加。目前常见的等离子体空气射流装置均是以电晕放电制作而成，如Z.Machala et.al.”Transverse dc GlowDischarges in Atmospheric Pressure Air”IEEE Trans.PlasmaSci.33320(2005)中介绍的空气射流装置(如图3所示)，该装置由20kV直流电源4串联120MΩ电阻8用于激发空心高压极2，产生等离子体射流6。而由于电晕放电和介质阻挡放电机理不同，通常电晕放电等离子体电子密度在10¹⁰/cm³，而介质阻挡放电等离子体射流电子密度10^12-14/cm³。因此，基于介质阻挡放电的大气压空气等离子体射流更为期待。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种空心电极介质阻挡结构，其具有较强的反冲效应，可有效激发空气且电子密度高达10¹⁵/cm3数量级。而且，该阻挡结构激发形成的等离子体射流温度接近室温，人体可以不受电击地安全触摸，且空心放电结构周围几乎无臭氧。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：它包括腔体、高压电极、地极、电源、进气口、气体调控开关和出气口；所述腔体顶部设置有所述高压电极，所述腔体底部设置有所述地极，且所述高压电极一端和地极一端连接所述电源，形成空心放电结构；位于所述高压电极上设置有所述进气口，工作气体经所述进气口进入所述空心放电结构内；在所述进气口上还设置有由现有控制设备控制工作的所述气体调控开关；位于所述地极上设置有所述出气口，所述电源作用于所述高压电极上产生的等离子体射流由所述出气口喷射而出。

所述高压电极或地极上设置有绝缘介质层。

所述绝缘介质层采用石英、玻璃、亚克力或聚四氟乙烯中的一种材料制成。

所述工作气体的流向与所述空心放电结构内电场方向平行。

所述进气口与所述出气口的位置呈对称设置时，所述进气口的尺寸大于所述出气口的尺寸。

所述进气口与所述出气口的位置呈交错设置时，所述进气口的尺寸大于或等于所述出气口的尺寸。

所述高压电极和地极均采用铜、铁、铝、钨或钼中的一种材料制成。

所述高压电极和地极均采用圆形、三角形、矩形、正方形或多边形中的一种形状。

所述工作气体采用空气、氮气、氧气、氦气、氩气或氖气中的一种，或采用前述气体中的几种组成的混合气体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用工作气体的气流方向与电场方向平行，进气口和出气口的位置及大小关系使得工作气体气流在空心电极介质阻挡结构中出现粒子反冲，产生湍流，使得本发明的空心电极介质阻挡结构中的气压升高，产生高密度等离子体射流，可有效激发空气且电子密度高达10¹⁵/cm³数量级。2、本发明在高压极和地极上分别设置有进气口和出气口，工作气体的气流通过气体调控开关调节后从进气口进入空心放电结构，气流方向与高压电场方向平行，工作气体放电形成等离子体后以射流形式从出气口喷出。工作气体可以是氦气、氩气、氖气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物等，有利于增加等离子体射流中活性成分的种类和数量。3、本发明产生的等离子体射流温度接近或高于室温，产生的等离子体射流长度可变，人体可以不受电击地安全触摸，且空心放电结构周围几乎无臭氧。4、本发明易制作、易维护、使用方便、成本低、易于携带，具有多种应用，比如材料表面处理、纳米材料制备、生物医学应用及环境工程等。5、本发明可以选择不同的驱动电源、不同工作气体及气流流速，产生的等离子体射流温度可以改变，等离子体射流长度可变，臭氧含量可变，同时可以向各个方向扩散，其中含有的活性物质成分的种类及数量也可以根据具体应用进行选择。本发明可以广泛在包括纳米材料、生物医学及环境工程在内的更多领域中应用。

附图说明

图1是现有技术中的一种大气压介质阻挡结构等离子体射流装置示意图；

图2是现有技术中的另一种大气压介质阻挡结构等离子体射流装置示意图；

图3是现有技术中的大气压空气电晕放电等离子体射流装置示意图；

图4是本发明的整体结构示意图；

图5是本发明的空心电极介质阻挡空心放电结构内电场分布示意图；

图6是本发明的第一个实施例中电子密度结果示意图；其中，a表示出气口的剖面长度为进气口的1/3，b表示出气口的剖面长度为进气口的2/3，c表示出气口的剖面长度为进气口的1倍；图中的n表示电子密度，d表示出气口剖面长度；

图7是本发明的第一个实施例中气体压强和湍流分布结果示意图；其中，图7(a)是出气口的剖面长度为进气口的1/3；图7(b)是出气口的剖面长度为进气口的2/3；图7(c)是出气口的剖面长度为进气口的1倍；

图8是本发明的第二个实施例中电子密度结果示意图；其中，a表示气体调控开关控制空气气流流速为200L/h，b表示气体调控开关控制空气气流流速为300L/h，c表示气体调控开关控制空气气流流速为400L/h；图中的n表示电子密度，Flow表示气流流速；

图9是本发明的第二个实施例中气体压强和湍流分布结果示意图；其中，图9(a)是气体调控开关控制空气气流流速为200L/h；图9(b)是气体调控开关控制空气气流流速为300L/h；图9(c)是气体调控开关控制空气气流流速为400L/h。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图4所示，本发明提供一种空心电极介质阻挡结构，其包括腔体10、高压电极11、地极12、电源13、绝缘介质层14、进气口15、气体调控开关16和出气口17。腔体10顶部设置有高压电极11，腔体10底部设置有地极12，且高压电极11一端和地极12一端连接电源13，形成空心放电结构；在高压电极11或地极12上设置有绝缘介质层14。位于高压电极11上设置有进气口15，工作气体18经进气口15进入空心放电结构内，工作气体18的流向与空心放电结构内电场方向平行；在进气口15上还设置有气体调控开关16，用于调节工作气体18的流速，该气体调控开关16由现有控制设备控制其工作。位于地极12上设置有出气口17，工作气体18进入空心放电结构，电源13作用于高压电极11上产生的等离子体射流19由出气口17喷射而出。

上述实施例中，进气口15可以在高压电极11任意位置处设置，出气口17可以在地极12任意设置处设置。当进气口15与出气口17的位置呈对称设置时，进气口15的尺寸大于出气口17的尺寸；当进气口15与出气口17的位置呈交错设置时，进气口15的尺寸大于或等于出气口17的尺寸。

上述各实施例中，高压电极11和地极12均可以采用铜、铁、铝、钨或钼中的一种材料制成。

上述各实施例中，高压电极11和地极12均可以采用圆形、三角形、矩形、正方形或多边形中的一种形状。

上述各实施例中，绝缘介质层14可以采用石英、玻璃、亚克力或聚四氟乙烯中的一种材料制成。

上述各实施例中，工作气体18可以采用空气、氮气、氧气、氦气、氩气或氖气中的一种，或采用上述气体中的几种组成的混合气体。

综上所述，本发明在使用时，如图5所示，由本发明的空心电极介质阻挡结构内部电场分布示意图可以看到，较强的场强集中于高压电极11和地极12之间，而在出气口17以外的范围没有电场强度。因此，对于本发明空心电极介质阻挡结构产生的等离子体射流可以直接进行触摸，无任何电击伤害。由本发明空心电极介质阻挡结构产生的臭氧量如表1所示。

表1

R/mm	0	10	20	40	60	80	100
								O₃/ppm	0.29	0.2	0	0	0	0	0

表中，R为距离等离子体射流19的半径。由表1结果可知臭氧O₃在七个半径范围的浓度分别为0.29ppm，0.2ppm，0ppm，0ppm，0ppm，0ppm，0ppm。根据国际臭氧安全标准，室内臭氧浓度不超过0.01ppm为安全。因此，本发明提出的空心电极介质阻挡结构，距离等离子体射流半径20mm以外的范围几乎不会有臭氧对人体造成伤害。

实施例一：调整出气口17的剖面长度分别为进气口15的1/3、2/3和1倍，工作气体18为空气，空气通过气体调控开关16的调节保持300L/h的流速流入空心放电结构，频率20kHz电源13不断升高电压激发空心放电结构。

如图6所示，本发明实施例一电子密度结果随着出气口17的减小，电子密度不断升高，且电子密度都高达10¹⁵/cm³数量级。

如图7所示，本发明实施例一中气体压强和湍流分布结果随着出气口17的减小(如图7(a)～图7(c)所示)，空心电极介质阻挡结构内部压强增大，且有明显的湍流出现。

实施例二：工作气体18为空气，通过气体调控开关16控制空气气流流速分别为200L/h、300L/h和400L/h流入空心放电结构，出气口17的剖面长度为进气口15的1/3，频率20kHz高压电源13不断升高电压激发空心放电结构。

如图8所示，本发明实施例二中电子密度结果随着气流流速的升高，电子密度不断升高，且电子密度都高达10¹⁵/cm³数量级。

如图9所示，本发明实施例二中气体压强和湍流分布结果随着气流流速的升高(如图9(a)～图9(c)所示)，空心电极介质阻挡结构内部压强增大，且湍流的出现明显增强。

由上述两个实施例及其结果可以看出，本发明的空心电极介质阻挡结构具有内部反冲效应，可有效提高空心放电结构内部的气体压强。依据汤森放电原理，气体击穿放电始于电子雪崩，电子雪崩是由许多放电初期的联级电离组成，在传播阶段这一过程中，主要以离子波的形式到达阴极，在这一过程中有大量离子和电子产生。对于空心电极介质阻挡结构，出气口17的减小和气流流速的增大，导致空心放电结构内部压强增大，说明此时有更多气体分子被阻挡储存在空心放电结构内部，且空心电极介质阻挡结构体系的温度整体会上升。因此，本发明空心放电结构可以电离出更多的电子，电子在后续反应中增大碰撞反应几率，会产生更多的活性物质粒子。本发明的空心电极介质阻挡放电结构具有了远远优于其他介质阻挡放电结构的新特性，会在包括纳米材料，生物医学及环境工程在内的更多领域中有更为广泛的应用。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：它包括腔体、高压电极、地极、电源、进气口、气体调控开关和出气口；所述腔体顶部设置有所述高压电极，所述腔体底部设置有所述地极，且所述高压电极一端和地极一端连接所述电源，形成空心放电结构；位于所述高压电极上设置有所述进气口，工作气体经所述进气口进入所述空心放电结构内，所述工作气体的流向与所述空心放电结构内电场方向平行；在所述进气口上还设置有由现有控制设备控制工作的所述气体调控开关；位于所述地极上设置有所述出气口，所述电源作用于所述高压电极上产生的等离子体射流由所述出气口喷射而出；

所述地极上设置有绝缘介质层，且所述绝缘介质层上设置有与所述地极上出气口对应的出气口。

2.如权利要求1所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述绝缘介质层采用石英、玻璃、亚克力或聚四氟乙烯中的一种材料制成。

3.如权利要求1～2任一项所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述工作气体的流向与所述空心放电结构内电场方向平行。

4.如权利要求1～2任一项所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述进气口与所述出气口的位置呈对称设置时，所述进气口的尺寸大于所述出气口的尺寸。

5.如权利要求1～2任一项所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述进气口与所述出气口的位置呈交错设置时，所述进气口的尺寸大于或等于所述出气口的尺寸。

6.如权利要求1～2任一项所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述高压电极和地极均采用铜、铁、铝、钨或钼中的一种材料制成。

7.如权利要求1～2任一项所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述高压电极和地极均采用圆形、三角形、矩形、正方形或多边形中的一种形状。

8.如权利要求1～2任一项所述的一种空心电极介质阻挡结构，其特征在于：所述工作气体采用空气、氮气、氧气、氦气、氩气或氖气中的一种，或采用前述气体中的几种组成的混合气体。