CN105246241A - 一种产生大面积冷等离子体的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生大面积冷等离子体的装置，所述装置包括网状或条状的内电极与外电极、带有微孔阵列的介质板和气室，所述内、外电极紧贴介质板两侧，介质板上的微孔位于电极的条状或网状间隙的中间位置。所述气室用于储存放电所需的给料气体，气室与介质板相接，气流通过管道流入，并通过介质板上的微孔流出，进入到等离子体区域产生活性粒子。所述装置在高压电源的激励下能够产生大面积、均匀、接近室温的等离子体，通过控制气室中给料气体的成分与流速，可以调控等离子体化学，提高所需活性粒子的产生效率，促进活性粒子传质作用于等离子体之外的被处理物，并降低放电电压与温升，从而更加适用于生物医学、材料表面处理、环境保护等领域。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体应用领域，特别涉及一种产生大面积冷等离子体的装置。
背景技术
沿面介质阻挡放电能够在常压下产生具有高能量电子的非平衡等离子体，目前在聚合物材料的表面改性、工业臭氧合成、高效率紫外线灯、大面积平板等离子体平面显示、环境保护、医疗灭菌和临床治疗等方面获得了广泛的研究和应用。
在上述等离子体运用领域中，等离子体中的活性粒子起着非常重要的作用。例如，NO自由基在医学领域中往往起着关键作用，人体的许多疾病，如皮肤癌、慢性溃疡等疾病，都与体内NO自由基失衡密切相关，外生的NO自由基可以弥补体内NO的不足，从而达到治疗效果；OH自由基对细菌的细胞的脂类、蛋白质尤其是包含金属的蛋白质结合物、DNA中的糖基有破坏作用，可以起到杀菌作用。然而在实际研究中，等离子体中的活性粒子是否能有效地作用于被处理物是研究者所关注的重点。由于活性粒子的寿命短，活性粒子的产生效率与活性粒子传质在实际运用中至关重要。例如在空气中，活性粒子的扩散率较低，很容易与其它物质产生反应，消耗量大，不利于其作用到被处理物表面。这就要求实际运用的装置能够促进活性粒子传质。
大气压冷等离子体通常的产生方式有介质阻挡放电与射流放电。常见的沿面介质阻挡放电发生器产生的等离子体是由大量的微放电通道组成，外观上比较均匀的“丝状放电”。介质阻挡放电中，沿面介质阻挡放电是一种新的结构形式。沿面型介质阻挡放电在沿介质表面的放电空间所受限制较少，可以在介质表面产生大面积的等离子层，但是其产生的等离子体均匀性不够。由于沿面介质阻挡放电是在空气环境下进行，在空气中活性粒子扩散率较低、活性粒子容易与空气中的其它物质反应，使得活性粒子产生效率不高、从而不利于活性粒子传质，其运用于等离子医学等领域的效果不好。等离子体射流是利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，在无固体边界约束的外界气体环境中朝向工作区域定向流动的一种方法。这种方法不仅能实现放电区域与工作区域分离，而且使得其产生的等离子体活性粒子种类多、浓度大、传递距离远、作用于处理物表面具有很好的效果，但是其产生的等离子体面积较小，较难满足实际运用中处理大面积物质的要求。虽然多射流阵列等离子源可以满足实际运用中对于大面积均匀等离子体的需求，但是形成多阵列射流等离子体的实际操作很困难，耗气量很大并且每一根射流等离子体的均匀性难以保证。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明公开了一种产生大面积冷等离子体的装置。
所述装置包括：网状或条状的外电极、网状或条状的内电极、带有微孔阵列的介质板、高压电源和气室；
所述气室用于储存放电所需的给料气体，气室与介质板相接，所述气室中的给料气体通过介质板上的微孔阵列流出，进入到等离子体区域产生活性粒子；
所述内电极与外电极布置于介质板内外两侧，介质板上的微孔阵列位于内外电极的条状或网状间隙中间；在高压电源的激励下，外电极产生沿面放电与射流放电相结合的等离子体。
本发明所述的装置在等离子体运用领域中具有以下优点：
(1)等离子体化学活性更高。所述装置的结构为通入不同气体以调剂等离子体化学提供了条件，使得等离子体中的活性粒子成分改变，从而适用于不同的应用领域；因为不同气体放电所含的活性粒子种类和浓度均有差异，比如，He+O2混合气体放电时ROS含量更高，He+Air混合气体放电时RNS含量更高。
(2)促进活性粒子传质。在稀有气体中，活性粒子的扩散率远高于空气且不易反应消耗；而实际应用中被处理物通常在一定距离之外，稀有气体的气流能使等离子体中的活性粒子更好地与处理物表面接触并反应；
(3)降低放电电压。稀有气体放电电压较低，从而降低了对电源激励的要求和对放电反应装置的损害，有利于提高装置的安全性；
(4)降低发热。稀有气体的气流导热性非常好，使得装置更加适应于处理热敏感物质且有利于保持放电稳定性和精确控制等离子体化学，此外还能够延长装置的使用寿命；
(5)放电面积更大，均匀性更好。介质板上的阵列式微孔有气体放电产生的种子电子，种子电子能促进周围区域放电，使得放电区域不仅仅局限于外电极的边缘区域，也存在于网状电极的网格中心区域或是条状电极的电极单元之间，从而有效地增大了放电面积并提高了放电均匀性。
附图说明：
图1是本发明一个实施例的结构原理图；其中包括内电极101、介质板102、外电极103、阵列式微孔104、气室105、通气口106；
图2是本发明一个实施例中所述内外电极结构图；其中图2(a)为所述条形状内电极结构；图2(b)为所述网状外电极结构。
具体实施方式：
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步的说明：
在一个实施例中公开了了一种产生大面积均匀冷等离子体的装置：
所述装置包括：网状或条状的外电极、网状或条状的内电极、带有微孔阵列的介质板、高压电源和气室；
所述气室用于储存放电所需的给料气体，气室与介质板相接，所述气室中的给料气体通过介质板上的微孔阵列流出，进入到等离子体区域产生活性粒子；
所述内电极与外电极布置于介质板内外两侧，介质板上的微孔阵列位于内外电极的条状或网状间隙中间；在高压电源的激励下，外电极产生沿面放电与射流放电相结合的等离子体。
具体的，如图1所示的一种产生大面积冷等离子体的装置，包括内电极101、介质板102、外电极103、阵列式微孔104、气室105、通气口106。
本实施所述装置能够产生大面积、均匀、接近室温的等离子体，通过控制气室中给料气体的成分与流速，可以调控等离子体化学，提高所需活性粒子的产生效率，促进活性粒子传质作用于等离子体之外的被处理物，并降低放电电压与温升，从而更加适用于生物医学、材料表面处理、环境保护等应用领域。
在一个实施例中，所述高压电源在内电极与外电极之间施加高电压；当外电极为网状电极时，在外电极网孔边缘及中心产生等离子体；当外电极为条状电极时，在外电极条状间隙区域产生等离子体。
如图2所示的内外电极结构图；其中图2(a)为所述条形状内电极结构；图2(b)为所述网状外电极结构。
更优的，所述条形内外电极采用条形梳状电极结构；网状内外电极采用六边形蜂窝网状电极结构。
在一个实施例中，所述内电极与外电极由铜、铁或其它导电金属制成。
在更具体的一个实施例中，所述内电极和外电极选用铜制成。
在一个实施例中，根据内电极与外电极结构的不同，所述介质板在条状电极的间隙或是网状电极的网孔中心穿凿有直径相等、分布均匀的微孔阵列；
所述微孔的直径介于0.5～2mm之间；
所述制作介质板的材料包括聚四氟乙烯、PVC、陶瓷或其它绝缘材料；
所述介质板的厚度介于0.5～3mm之间。
进一步的，所述介质板的微孔直径为1mm；所述介质板由聚四氟乙烯制成；所述介质板的厚度为2mm。
在本实施例中，介质板上的阵列式微孔有气体放电产生的种子电子，种子电子能促进周围区域放电，使得放电区域不仅仅局限于外电极的边缘区域，也存在于网状电极的网格中心区域或是条状电极的电极单元之间，从而有效地增大了放电面积并提高了放电均匀性。
在一个实施例中，所述内电极布置于所述介质板朝向气室的一侧，使用热熔胶密封或是选择其它措施保证内电极中的各个网状或条状单元之间绝缘，避免在气室内部产生放电；
所述外电极通过铜块固定，，或是其他固定方式固定于介质板朝向外界空气的一侧。
在本实施例中，所述铜块使用螺丝刀将带螺口的铜块拧紧固定于放置有外电极的介质板上。
在一个实施例中，所述装置还包括有气体管道、储气罐和流量控制器；所述储气罐通过气体管道与气室相连接，所述流量控制器位于储气罐与气室之间；
所述储气罐通过气体管道向气室提供给料气体；流量控制器用于控制给料气体的流速。
在本实施例中，通过控制气室中给料气体的成分与流速，可以调控等离子体化学，提高所需活性粒子的产生效率，促进活性粒子传质作用于等离子体之外的被处理物，并降低放电电压与温升，从而更加适用于生物医学、材料表面处理、环境保护等应用领域。
在一个实施例中，所述给料气体中的气体包括氦气、氩气及其它种类的稀有气体，以及这些稀有气体与氧气、氮气、空气的混合气体；所述流量控制器还用于控制给料气体中气体的种类，从而在等离子体中产生不同种类与剂量的活性粒子，满足不同应用的差异化需求。
本实施例所述的稀有气体，能够使活性粒子的扩散率远高于空气且不易反应消耗；而实际应用中被处理物通常在一定距离之外，稀有气体的气流能使等离子体中的活性粒子更好地与处理物表面接触并反应。
本实施例使用稀有气体放电，降低了放电电压，从而降低了对电源激励的要求和对放电反应装置的损害，有利于提高装置的安全性。
在一个实施例中，所述高压电源包括正弦高压电源和脉冲高压电源；所述正弦高压电源的频率为50Hz～100MHz，电压幅值在1kY到20kY之间，所述脉冲高压电源的频率不高于100kHz。
更优的，所述的高压电源的频率包括50Hz～20MHz，所述高压电源包括电压峰峰值为0～20kY可调的正弦交流电源、脉冲高压电源、射频高压电源。
在一个实施例中，所述装置能够在大气压或是低气压的环境条件下产生等离子体。
在一个实施例中，所述气室能够根据装置的外形做出相应的调整，例如长方体、正方体、圆柱体或者其他结构。
更优的，所述气室可以通过一次成型所形成，以加强装置的整体性，在更具体的实施例中，所述气室的形状为长方形。
本实施例所述的气室由两个主、副构件相结合构成，所述的主构件包含有介质板、内凹气室、通气口；所述主构件采用的材料是聚四氟乙烯或是其它绝缘材料。所述副构件含有内电极接线触头、外电极接线触头；所述副构件采用的材料是聚四氟乙烯或是其它绝缘材料。
在一个实施例中，所述装置主要由网状或条状的内电极101与外电极103、带有微孔阵列104的介质板102、以及气室105组成，其特征在于：所述内电极101与外电极103紧贴介质板102两侧，介质板102上的微孔位于电极的条状或网状间隙的中间位置，在高压电源的激励下，外电极的条状或网状间隙中会产生沿面放电与射流放电相结合的等离子体。
所述气室105用于储存用于放电所需的给料气体，气室105与介质板102相接，气流通过管道流入，并通过介质板102上的微孔流出，进入到等离子体区域产生活性粒子。
可选的，所述装置由上、中、下三层单元所组成。所述上层单元包含内电极101、通气口106、金属导线和接高压电源的接线柱头、所述中层单元为带有阵列式微孔104的介质板102、所述下层单元包含外电极103、电极固定构件、金属导线和接地的接线触头。
可选的，所述内电极101的电极结构采用条形电极结构(a)，每一个内电极铜块都等间隔均匀分布并且内电极之间进行了良好的绝缘处理，以避免内电极之间相互击穿；所述外电极103的电极结构采用铁制蜂窝状网形电极结构(b)，值得注意的是网状外电极103紧密地与介质板102相贴合；所述介质板在网状外电极103的中心穿凿有直径大小为0.5～2mm中某一参量的阵列式微孔104，介质板采用的材料为聚四氟乙烯或是其它绝缘材料。所述介质板102的厚度可以选择为0.5～3mm中的某一参量，用于降低沿面放电所需的电压和放电时电极的温度。
可选的，所述气室105的形状可以根据装置的外形做出相应的调整，本发明选择的实施例中装置为长方体结构。
可选的，所述的气室105通过气体管道与外界的储气罐相连，通过流量控制器控制气体流速。气体成分包括氦气、氩气及其它种类的稀有气体，以及这些稀有气体与氧气、氮气、空气的混合气体。通过流量控制器可调节气体种类及流速，从而产生不同种类与剂量的活性粒子，满足不同应用的差异化需求。
可选的，气室105可以由两个主、副构件相结合构成，所述的主构件包含有介质板102、内凹气室、通气口106；所述主构件采用的材料是聚四氟乙烯或是其它绝缘材料。所述副构件含有内电极接线触头、外电极接线触头；所述副构件采用的材料是聚四氟乙烯或是其它绝缘材料。
更优的，气室105可以通过一次成型所形成，以加强装置的整体性。
可选的，所述电源激励包含有高压电源并通过高压电源为装置提供激励以产生等离子体。
更优的，所述高压电源为正弦高压电源或者脉冲高压电源，所述正弦高压电源的频率为50Hz～20MHz，电压幅值在1kV到20kY之间，所述脉冲高压电源的频率不高于100kHz。
可选的，所述电极固定构件为固定铜块和塑料螺丝。
本发明所述的装置在所述实施例中的较于传统沿面介质阻挡放电，其新颖之处在于：介质板上带有阵列式微孔、介质板上带有气室、内外电极分别采用条形梳状电极结构和六边形蜂窝网状电极结构。当装置施有高压电源激励时，等离子体发生模块产生气体放电，气流从微孔中喷出，从而打孔部分相当于一个“种子”源，提供种子电子。传统的沿面介质阻挡放电产生的等离子体区主要分布于外电极网格边缘，而六边形蜂窝状网格中心的“种子电子”使得网格中心区域也进行放电，从而增大了放电面积、提高了放电均匀性。当通入气体的流量到达一定参数时，微孔部分将会形成等离子体射流阵列，从而产生具有沿面放电特征和射流放电特征相结合的等离子体。
以上对本发明所提供的产生大面积均匀冷等离子体的装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种产生大面积冷等离子体的装置，其特征在于：所述装置包括：网状或条状的外电极、网状或条状的内电极、带有微孔阵列的介质板、高压电源和气室；
所述气室用于储存放电所需的给料气体，气室与介质板相接，所述气室中的给料气体通过介质板上的微孔阵列流出，进入到等离子体区域产生活性粒子；
所述内电极与外电极布置于介质板内外两侧，介质板上的微孔阵列位于内外电极的条状或网状间隙中间；在高压电源的激励下，外电极产生沿面放电与射流放电相结合的等离子体。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：优选的，所述高压电源在内电极与外电极之间施加电压；当外电极为网状电极时，在外电极网孔边缘及中心产生等离子体；当外电极为条状电极时，在外电极条状间隙区域产生等离子体。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述内电极与外电极由铜、铁或其它导电金属制成。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：根据内电极与外电极结构的不同，所述介质板的微孔阵列位于条状电极的间隙中间或是网状电极的网孔中心；所述微孔阵列的直径相等，分布均匀；
所述微孔的直径介于0.5～2mm之间；
所述介质板的材料包括聚四氟乙烯、PVC、陶瓷或其它绝缘材料；
所述介质板的厚度介于0.5～3mm之间。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述内电极布置于所述介质板朝向气室的一侧，使用热熔胶密封或是选择其它措施保证内电极中的各个网状或条状单元之间绝缘，避免在气室内部产生放电；
所述外电极通过铜块固定，，或是其他固定方式固定于介质板朝向外界空气的一侧。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括有气体管道、储气罐和流量控制器；所述储气罐通过气体管道与气室相连接，所述流量控制器位于储气罐与气室之间；
所述储气罐通过气体管道向气室提供给料气体；流量控制器用于控制给料气体的流速。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述给料气体中的气体包括氦气、氩气及其它种类的稀有气体，以及这些稀有气体与氧气、氮气、空气的混合气体；
所述流量控制器还用于控制给料气体中气体的种类和流速，从而在等离子体中产生不同种类与剂量的活性粒子，满足不同应用的差异化需求。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高压电源包括正弦高压电源和脉冲高压电源；所述正弦高压电源的频率为50Hz～100MHz，电压幅值在1kV到20kV之间，所述脉冲高压电源的频率不高于100kHz。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置能够在大气压或是低气压的环境条件下产生大面积的、均匀的等离子体。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气室能够根据装置的外形做出相应的调整，例如长方体、正方体、圆柱体或者其他结构。
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