CN105357854A - 新型的等离子体产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用相变超结构电极系统放电产生等离子体的新方法，包括步骤：制备超结构母体(1)；制造压强梯度功能结构(2)；制造一次相变低温热场结构(3)；制造辅助电极(4)；制备低温燃料(5)；填充超结构母体形成相变超结构电极系统(6)；通电加电压放电产生等离子体云团。本发明能够通过低温燃料体系的化学和温度特性控制所产生等离子体云团的特性，从而大幅提高对等离子体物性、理化特性的控制水平和调制范围，并能大幅提高等离子体产生的效率，能够广泛应用于生物、医疗、航空航天、通信等领域。

Description

新型的等离子体产生方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体技术领域中新型的等离子体状态制造和控制方法，尤其涉及一种新型的等离子体产生方法。
技术背景
等离子体是由带电粒子、基态中性粒子、亚稳态中性粒子和激发态中性粒子组成的，其物质输运过程、能量输运过程、电磁辐射过程和带电粒子动量转移过程在许多领域有重要应用，例如等离子体材料加工、激光光源、等离子体混合、电子-离子源、等离子体控制等。利用气体放电产生等离子体是一种最为常见的等离子体产生方法，具有装置简单、等离子体参数可控性较高等优势。气体放电一般是指在电场作用下使气体电离，形成能导电的电离气体，即等离子体。常规的做法是在一对电极(阴极和阳极)之间产生高场强的电场以使电极之间的气体被电离，形成等离子体。常用的等离子体生成方法可以分为两大类，即直流放电和交流放电。其中，直流放电包括直流辉光放电、空心阴阴放电、直流脉冲放电、电弧放电和磁控管放电，交流放电包括电容耦合放电、感应耦合放电、介质阻挡放电、微波放电和表面波放电。而无论采用哪种放电模式产生等离子体，设计合适的电极都是重要的。
随着纳米技术的发展，实验研究发现，可以利用一维纳米结构制作电极或者修饰电极以用于电离气体(或液体)，产生等离子体。这一方法能够降低气体放电的操作电压，从而使等离子体供电装置能被继续简化。目前这一技术被广泛用于电离传感器这一电子器件的研发领域。其中的一维纳米结构是指具有较大长径比的类似棒状、带状、管状和/或线状的纳米结构，一般其横向线径小于100nm。常用的一维纳米结构例如碳纳米管、氧化锌纳米线、氧化锡纳米条带等。
我们发现在这一技术的公开文献中，主要是将一维纳米结构引入到空洞电极的电极空腔结构中，或者是将一维纳米结构设置在阴极和阳极的表面。例如将碳纳米管引入空洞阴极，形成由碳纳米管这种很有代表性的一维纳米材料作为空洞阴极的空洞阴极放电等离子体器件，这种器件可以提高器件作为等离子体源的性能，例如可以降低工作电压、提高光辐射产额。再例如将一维纳米结构被设置在阴、阳金属电极的表面，其发明人认为这一设置具有降低场致电离工作电压的作用。但是，我们发现在上述这些设置中，一维纳米结构是作为电极的一部分而直接地与等离子体发生相互作用的，这样，一维纳米结构在工作中将很容易受到粒子轰击、焦耳热和电磁辐射等效应的影响而发生变质，甚至导致其损伤失效。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高效的等离子体产生方法，能够在极低功耗下产生等离子体，并且能够对等离子体的理化特性和热力学特性的时空分布进行有效调控。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种超结构放电体系，其使用超结构体系所构成的超梯度放电电极形成气体放电的物理环境，大幅降低功耗，增强可控性，且其工作时能减少以至避免其产生的等离子体对一维纳米结构的损伤。
为实现上述目的，本发明提供一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一，制备超结构母体(1)；
第二，制造压强梯度功能结构(2)；
第三，制造一次相变低温热场结构(3)；
第四，制造辅助电极(4)；
第五，制备低温燃料(5)；
第六，填充超结构母体形成相变超结构电极系统(6)；
第七，通电加电压，放电产生等离子体云团。
更进一步地，所述的超结构母体(1)，包括基片及其体内的通孔或者通孔阵列结构，还包括通孔内外的纳米结构。
更进一步地，所述的压强梯度功能结构(2)，包括能够在出口和入口之间形成压强差的功能结构，该结构的出口与所述的超结构母体(1)相连。
更进一步地，所述的一次相变低温热场结构(3)，包括具有加热功能的电阻丝，该结构与超结构母体(1)相连。
更进一步地，所述的辅助电极(4)，与超结构母体(1)相连，并在与其相接触的一面设置绝缘层。
更进一步地，所述的低温燃料(5)，其凝固点低于一次相变低温热场结构(3)所能达到的最大电加热温度。
更进一步地，所述的相变超结构电极系统(6)，包括由所述的低温燃料(5)在超结构母体(1)中形成的电极或电极阵列结构。
在本发明的较佳实施方式中，提供了一种包括阴极、阳极和两者之间的电场极化增强结构的电场极化增强的放电电极。其中电场极化增强结构由一维纳米结构构成，其与阴极和阳极皆不接触。并且在本发明的较佳实施方式中提出了九种利用一维纳米结构构造的电场极化增强结构的结构及相应的电场极化增强的放电电极的结构和制备方法。在使用本发明的电场极化增强的放电电极时，其中阴极、阳极和电场极化增强结构之间的间隙内充填气体或液体(放电气体或液体)，构成电场极化增强结构的一维纳米结构的至少一个端部与该放电气体或液体接触。施加电压于本发明的电场极化增强的放电电极的阴极和阳极，两者之间的气体或液体中将产生电场(可以称为背景电场)，于是电场极化增强结构中的一维纳米结构受到电场的极化而产生正、负电荷的分离。由此所产生的高度不均匀的电场能够对电容内部的气体或者液体分子产生很强的不均匀极化，有一定几率被纳米结构捕获发生非弹性碰撞，从而成为亚稳态粒子。大量的亚稳态粒子在电场极化增强结构周围区域产生，能够通过分步电离、直接电离或者潘宁过程等机制影响气体放电过程，使得电荷分离过程在更低的电压之下实现。
由此可见，本发明的电场极化增强的放电电极的电场极化增强结构不与阳极和阴极相接触且不构成放电回路的一部分，因此电场极化增强结构中的一维纳米结构的各种对放电的有益效果可以在不作为电极的情况下实现，这样就避免了各种电极上的等离子体过程对其造成的损害。当然，当等离子体密度很高的高电导情况下，电场极化增强结构倾向于作为电极参与放电，此时，本发明的优势在于，扩大了一维纳米结构对气体放电产生有益影响的空间范围。因此，本发明的电场极化增强的放电电极通过将由一维纳米结构构成的电场极化增强结构设置在阴极与阳极之间的区域，通过两极之间的电场使一维纳米结构极化并由此产生不均匀电场，能够通过形成亚稳态粒子群降低产生等离子体所需要的工作电压，并且有利于在高气压气体和液体中制造扩散性大范围等离子体，还能够避免传统技术中由于气体放电或者液体放电过程中各种辐射和粒子轰击效应对电极上设置的纳米结构的损害，由此有利于维持一维纳米结构有益效果的稳定性并延长使用寿命。此外，还能利用某些一维纳米阵列结构的疏水特性对液态样本进行等离子体激发和化学检测。
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
附图1是在具体实施方式中所介绍的方法在实践后形成的等离子体产生系统。
具体实施方式
第一，制备超结构母体(1)；
第二，制造压强梯度功能结构(2)；
第三，制造一次相变低温热场结构(3)；
第四，制造辅助电极(4)；
第五，制备低温燃料(5)；
第六，填充超结构母体形成相变超结构电极系统(6)；
第七，通电加电压，放电产生等离子体云团。
所述的超结构母体(1)，包括金属黄铜基片及其体内的通孔阵列结构，通孔直径100微米，还包括通孔内外的碳纳米管纳米结构。
所述的压强梯度功能结构(2)，包括能够在出口和入口之间形成压强差的压电驱动液体泵功能结构，该结构的出口与所述的超结构母体(1)的通孔阵列相连。
所述的一次相变低温热场结构(3)，包括具有加热功能的电阻丝，电阻丝的最大线宽为50微米，电阻3.5欧姆，承载功率不大于25瓦，最高可加热温度不大于200摄氏度，该结构与超结构母体(1)相连。
所述的辅助电极(4)，与超结构母体(1)相连，为一个单晶硅多孔结构，筛状，并在与其相接触的一面设置绝缘层二氧化硅，厚度为2.12微米。
所述的低温燃料(5)，为氨水与氯化钠组成的混合液，体积比为1：1，其凝固点低于一次相变低温热场结构(3)所能达到的最大电加热温度。
所述的相变超结构电极系统(6)，包括由所述的氨水低温燃料(5)在超结构母体(1)中形成的电极阵列结构。
通交流高压332伏特(峰峰值)，产生的等离子体密度最大值达到1012/cm3数量级，电子温度0.13电子伏，氮单质的浓度达到1011/cm3数量级，范围达到120厘米的尺度，功耗小于10W。

Claims (7)

1.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一，制备超结构母体(1)；
第二，制造压强梯度功能结构(2)；
第三，制造一次相变低温热场结构(3)；
第四，制造辅助电极(4)；
第五，制备低温燃料(5)；
第六，填充超结构母体形成相变超结构电极系统(6)；
第七，通电加电压，放电产生等离子体云团。
2.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，所述的超结构母体(1)，包括基片及其体内的通孔或者通孔阵列结构，还包括通孔内外的纳米结构。
3.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，所述的压强梯度功能结构(2)，包括能够在出口和入口之间形成压强差的功能结构，该结构的出口与所述的超结构母体(1)相连。
4.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，所述的一次相变低温热场结构(3)，包括具有加热功能的电阻丝，该结构与超结构母体(1)相连。
5.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，所述的辅助电极(4)，与超结构母体(1)相连，并在与其相接触的一面设置绝缘层。
6.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，所述的低温燃料(5)，其凝固点低于一次相变低温热场结构(3)所能达到的最大电加热温度。
7.一种新型的等离子体产生方法，其特征在于，所述的相变超结构电极系统(6)，包括由所述的低温燃料(5)在超结构母体(1)中形成的电极或电极阵列结构。
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