CN105554994A - 一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置及方法。本发明所提供的装置包括两个相对设置的水槽、石英玻璃管和等离子体发生电源；所述石英玻璃管垂直穿过两个所述水槽的侧面；所述水槽由透明绝缘材料制成，在两个所述水槽内分别盛有用作电极的液体水，两个水槽内的液面可使穿过所述水槽内部的石英玻璃管完全浸没；在所述石英玻璃管内通有放电气体；所述等离子体发生电源的正负极分别与两个水槽内的液体水电连接。本发明所提供的装置，可克服现有等离子体射流装置存在的技术缺陷，实现电极与石英玻璃管外壁的无缝接触，提高了反应效率；并且可实现对等离子体发光信号的全方位测量。

Description

一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置及方法

技术领域

本发明属于等离子体的产生及应用技术领域，具体地说是一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置及方法。

背景技术

气体放电是一种能够产生高密度低温等离子体的有效方法，在材料表面改性、臭氧合成和灭菌消毒等领域具有广泛的应用前景。大气压低温等离子体射流是一种新型的气体放电技术，它具有结构简单、运行稳定和无需真空设备等优点而备受关注。

通常，产生等离子体射流的装置主要由石英玻璃管、金属电极和高压电源三部分组成；其中，金属电极一般是采用铜箔或者铝箔包裹在石英玻璃管的外壁上制作而成。把金属电极与高压电源相接，在高压电源的激励下，石英玻璃管内的反应气体被电离而产生等离子体。在外加电压和气流的共同作用下，将放电所产生的等离子体引出放电区域而到达石英玻璃管外，从而到达开放的应用区域。但是，这种结构的装置存在以下两方面的不足。一方面，金属电极与石英玻璃管外壁之间会存在缝隙，不能达到无缝包裹石英玻璃管的目的，这样会导致外加电压没有完全施加在电极位置处的工作气体上，即部分电压会损失在金属电极与管外壁的缝隙中，造成能源的浪费。另外，在金属电极的制作过程中，也会造成有色金属的浪费。另一方面，就等离子体的应用而言，等离子体参量是其中的一个重要物理量。由于金属电极是不透明的，因此无法测量电极位置处等离子体的发光信号，也就无法计算该位置处的等离子体参量，从而制约了现有等离子体射流的灵活应用。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，以解决现有装置因金属电极与石英玻璃管外壁之间存在缝隙而导致部分电压损失在金属电极与管壁之间的缝隙内以及无法测量电极位置处等离子体发光信号的问题。

本发明的目的之二就是提供一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法。

本发明的目的之一是这样实现的：一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，包括两个相对设置的水槽、石英玻璃管和等离子体发生电源；所述石英玻璃管垂直穿过两个所述水槽的侧面；所述水槽由透明绝缘材料制成，在两个所述水槽内分别盛有用作电极的液体水，两个水槽内的液面可使穿过所述水槽内部的石英玻璃管完全浸没；在所述石英玻璃管内通有放电气体；所述等离子体发生电源的正负极分别与两个水槽内的液体水电连接。

优选的，所述石英玻璃管的长度为10~20mm，其壁厚为0.1~1mm，其外径为0.3~30mm。

更优选的，所述石英玻璃管的长度为20mm，其壁厚为1mm，其外径为6mm。

优选的，所述水槽的长为20~60mm，宽为5~10mm，高为20~60mm；所述水槽的壁厚为0.1~1mm；两个水槽之间的间距为5~20mm。

更优选的，所述水槽由透明的绝缘材料PET薄膜制成，其壁厚为0.1mm，其长宽高为40mm×5mm×40mm，两个水槽之间的间距为10mm。

所述放电气体为氩气、氦气、氩气与空气的混合气体或者氦气与空气的混合气体；且所述放电气体的流量可调。

本发明的目的之二是这样实现的：一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法，包括如下步骤：

a、设置两个相对的水槽，并在两个水槽内盛放用作电极的液体水；使石英玻璃管垂直穿过两个水槽的侧面，且两个水槽内的液面可使穿过所述水槽内部的石英玻璃管完全浸没；所述水槽由透明绝缘材料制成；两个水槽内的液体水分别与水槽外部的等离子体发生电源的正负极电连接；

b、从所述石英玻璃管的一端向所述石英玻璃管内通入放电气体；

c、打开等离子体发生电源的开关，调节等离子体发生电源的电压，在等离子体发生电源的激励下，在所述石英玻璃管的内部产生等离子体，所产生的等离子体在石英玻璃管内气流的作用下由所述石英玻璃管的另一端被引出。

步骤b中向所述石英玻璃管内通入的放电气体为氩气、氦气、氩气与空气的混合气体或者氦气与空气的混合气体；所通入的放电气体的流量为0.1~5L/min。

步骤c中调节等离子体发生电源的电压在5~10kV之间，频率在8~15kHz之间。

本发明通过设置两个相对的水槽，水槽由透明绝缘材料制作，在水槽内盛有作为电极的液体水，即：本发明中的电极替换了现有技术中的金属电极，改为透明的水电极，从而可避免有色金属的浪费。石英玻璃管以垂直于水槽侧面的方式垂直穿过两个水槽，且石英玻璃管的两端分别位于两个水槽的外侧。水槽内的液面可将穿过水槽内的石英玻璃管完全浸没。因此，本发明可解决现有技术中金属电极与石英玻璃管外壁之间存在缝隙的问题，即本发明实现了电极与石英玻璃管外壁之间的无缝接触，与现有的有缝隙接触相比，在相同的激励电压下，本发明可以增加放电等离子体中的活性自由基的含量，增加电子密度，提高反应效率。另一方面，本发明还解决了现有技术中无法测量金属电极位置处等离子体发光信号的问题，由于水槽中的液态水具有良好的透光性，因此可以对该位置处的发光信号进行诊断，进而计算其等离子体参量，实现了对整个放电区域（包括石英玻璃管处和水电极处）全方位的光学诊断。另外，本发明还具有结构简单、成本低、易操作、易于工业化应用等优点，可以根据实际需要调节水槽的位置和两个水槽的间距，进而提高等离子体射流的应用范围。

附图说明

图1是本发明所提供的装置的结构示意图。

图2是图1的端视图。

图3是本发明实施例2中所形成的放电等离子体射流的照片示意图。

图4是本发明实施例2中测量水槽内透明电极位置处等离子体发射光谱的示意图。

具体实施方式

实施例1，一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置。

如图1和图2所示，本发明所提供的无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置包括两个相对设置的水槽2、石英玻璃管1和等离子体发生电源3。水槽2由透明绝缘材料制成，例如，可由透明的绝缘材料PET薄膜制成。水槽2可以是封闭的箱体结构，也可以是顶端敞口的箱体结构。水槽2的长、宽、高可以为（20~60mm）×（5~10mm）×（20~60mm）；优选的，水槽2的长、宽、高为40mm×5mm×40mm。水槽2的壁厚可以为0.1~1mm；优选的，水槽2的壁厚为0.1mm。两个水槽2之间的间距可以为5~20mm；优选的，两个水槽2之间的间距为10mm。在水槽2内注有液体水，水槽2内的液体水是用作电极所用，即：本发明中的电极为透明的水电极。

石英玻璃管1为两端开口的圆柱形管体结构，石英玻璃管1的长度可以为10~20mm，其壁厚可以为0.1~1mm，其外径可以为0.3~30mm。优选的，石英玻璃管1的长度为20mm，其壁厚为1mm，其外径为6mm。石英玻璃管1呈水平设置，且石英玻璃管1以垂直于水槽2侧面的方式垂直穿过两个水槽2的中心，从而使得石英玻璃管1的两端分别位于两个水槽2的外侧。水槽2内的液体水可将穿过水槽2内部的石英玻璃管1完全浸没，也就是说，位于水槽2内部的石英玻璃管1的外壁被液体水完全包围。由于水槽2内的液体水是用作电极，因此实现了两个电极与石英玻璃管1外壁之间的无缝接触。

等离子体发生电源3的正负极分别通过导线与两个水槽2内的液体水电连接。工作时，等离子体电源3的电压幅度在5~10kv之间，频率在8-15kHz之间。

石英玻璃管1的一端（图中右端）为进气口，另一端（图中左端）为出气口。通过石英玻璃管1的进气口可向石英玻璃管1内通入放电气体5（或称工作气体）；放电气体5可以为氩气、氦气、氩气与空气的混合气体或者氦气与空气的混合气体。在石英玻璃管1的进气口处设置有气体流量计4，通过气体流量计4可以调节通入石英玻璃管1内的放电气体的流量。放电气体的流量可控制在0.1~5L/min之间。

工作时，放电气体5首先经过气体流量计4，然后从进气口进入石英玻璃管1内部；在等离子体发生电源3的激励下，在石英玻璃管1的内部产生等离子体，并由气流将等离子体从石英玻璃管1的出气口处引出。

实施例2，一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法。

本实施例所提供的无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法，包括如下步骤：

a、设置两个相对的水槽2，并在两个水槽2内注入用作电极的液体水。水槽2由透明的绝缘材料PET薄膜制成，其壁厚为0.1mm，其尺寸为40mm×5mm×40mm；两个水槽2的间隔为10mm。使石英玻璃管1垂直穿过两个水槽2的侧面中心，且两个水槽2内的液面可使穿过水槽2内部的石英玻璃管1完全浸没。石英玻璃管1的两端开口，其长度为20mm，其壁厚为1mm，其外径为6mm。两个水槽2内的液体水分别与水槽2外部的等离子体发生电源3的正负极电连接。

b、从石英玻璃管1的一端向石英玻璃管1内通入氩气作为放电气体5。在通入氩气的石英玻璃管1的一端处设置有气体流量计4，通过气体流量计4调节氩气的流量为2.0L/min。

c、打开等离子体发生电源3的开关，调节等离子体发生电源3的电源频率为10kHz，逐渐增加等离子体发生电源3的电压；当外加电压U=5.1kV时，放电首先在两个水槽2之间的气隙发生，进而产生等离子体；之后逐渐增加电压，在两个水槽2的外围逐渐产生新的等离子体。当外加电压增加到U=6.29kv时，如图3所示，放电等离子体射流从石英玻璃管1出气口处流出，这种流出到自由空间的等离子体射流就可以被方便的加以利用。

图4是在水槽2位置处测量得到的等离子体发射光谱信号，进一步可以计算该位置处的等离子体参量。可见，电极位置处的等离子体发光信号可以方便的观测。

以上所述仅仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上，还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，其特征是，包括两个相对设置的水槽、石英玻璃管和等离子体发生电源；所述石英玻璃管垂直穿过两个所述水槽的侧面；所述水槽由透明绝缘材料制成，在两个所述水槽内分别盛有用作电极的液体水，两个水槽内的液面可使穿过所述水槽内部的石英玻璃管完全浸没；在所述石英玻璃管内通有放电气体；所述等离子体发生电源的正负极分别与两个水槽内的液体水电连接。

2.根据权利要求1所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，其特征是，所述石英玻璃管的长度为10~20mm，其壁厚为0.1~1mm，其外径为0.3~30mm。

3.根据权利要求2所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，其特征是，所述石英玻璃管的长度为20mm，其壁厚为1mm，其外径为6mm。

4.根据权利要求1所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，其特征是，所述水槽的长为20~60mm，宽为5~10mm，高为20~60mm；所述水槽的壁厚为0.1~1mm；两个水槽之间的间距为5~20mm。

5.根据权利要求4所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，其特征是，所述水槽由透明的绝缘材料PET薄膜制成，其壁厚为0.1mm，其长宽高为40mm×5mm×40mm，两个水槽之间的间距为10mm。

6.根据权利要求1所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的装置，其特征是，所述放电气体为氩气、氦气、氩气与空气的混合气体或者氦气与空气的混合气体；且所述放电气体的流量可调。

7.一种无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置两个相对的水槽，并在两个水槽内盛放用作电极的液体水；使石英玻璃管垂直穿过两个水槽的侧面，且两个水槽内的液面可使穿过所述水槽内部的石英玻璃管完全浸没；所述水槽由透明绝缘材料制成；两个水槽内的液体水分别与水槽外部的等离子体发生电源的正负极电连接；

b、从所述石英玻璃管的一端向所述石英玻璃管内通入放电气体；

c、打开等离子体发生电源的开关，调节等离子体发生电源的电压，在等离子体发生电源的激励下，在所述石英玻璃管的内部产生等离子体，所产生的等离子体在石英玻璃管内气流的作用下由所述石英玻璃管的另一端被引出。

8.根据权利要求7所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法，其特征是，步骤b中向所述石英玻璃管内通入的放电气体为氩气、氦气、氩气与空气的混合气体或者氦气与空气的混合气体；所通入的放电气体的流量为0.1~5L/min。

9.根据权利要求7所述的无缝接触透明电极产生等离子体射流的方法，其特征是，步骤c中调节等离子体发生电源的电压在5~10kV之间，频率在8~15kHz之间。