CN105578699B - 一种产生冷等离子体刷的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生冷等离子体刷的装置及方法。本发明中的装置包括供气机构、输气机构、供电机构和电极机构；供气机构用于提供工作用放电气体，输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，调节供气机构中的流量计，以使放电气体在狭缝型气道内以层流态流动，由狭缝型气道流出的气体进入开放的放电空间；电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，线电极位于狭缝型气道内且靠近出气口处，供电机构给线电极提供交流高电压，板电极接地线，即可在两个电极之间形成许多微流光，形成视觉上明亮均匀的等离子体刷。通过本发明中的装置，可在线电极和板电极之间形成冷等离子体刷，且所形成的等离子体刷具有尺度大、温度低、化学活性高等优点。

Description

一种产生冷等离子体刷的装置及方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种产生冷等离子体刷的装置及方法。

背景技术

大气压低温冷等离子体无需昂贵的真空装置，可以在开放的空气环境中运行，便于实现流水线生产。并且它具有适当的电子密度、电子温度和气体温度等参数，因此在工农业生产、日常生活、航空航天、生物医疗等众多领域具有非常广泛的应用。例如在工业中可用于材料制备、表面处理、大规模集成电路刻蚀；在农业领域可用于种子处理、食品保鲜等；在日常生活中可用于空气净化、大面积显示等；在航天领域可以用于隐身、电推进等；在生物医疗领域可用于杀菌消毒、肿瘤治疗等。

现有技术中，通常利用各种结构的等离子体喷枪在开放的空气环境中产生大气压冷等离子体（见公开文献Plasma Sources Sci. Technol.，2012，21，034005）。等离子体喷枪按照其电场与气流场的相对方向分为平行场喷枪和交叉场喷枪；其中，平行场喷枪比交叉场喷枪具有更高的电子温度和化学活性（见公开文献Appl. Phys. Lett. 2008，93，111501）。通常等离子体喷枪产生的等离子体羽的横向尺度都很小，一般只有毫米量级，这显然对大规模应用是不利的。随着技术的发展，如何产生大尺度的大气压低温等离子体也显得愈加迫切。等离子体刷是一种符合要求的大尺度大气压等离子体。目前，已有文献（见公开文献SCIENTIA SINICA Physica，Mechanica & Astronomica，2015，45（9），095201）公开了利用线-板型放电装置，通过氩气的流动，在直流电压驱动下产生大面积的大气压均匀等离子体刷，但是，其所产生的等离子体刷的长度相对较短，约为1.0cm，因此，仍然限制了大尺度的大气压低温等离子体的应用。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种产生冷等离子体刷的装置，以解决现有的装置不能产生大尺度的大气压低温等离子体的问题。

本发明的目的之二就是提供一种产生冷等离子体刷的方法，该方法可以在大气压空气环境中产生大尺度的等离子体刷，且所产生的等离子体刷具有温度低、化学活性高等优点。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生冷等离子体刷的装置，包括供气机构、输气机构、供电机构和电极机构；

所述供气机构包括供气管路和提供放电气体的储气罐；所述储气罐通过所述供气管路与所述输气机构相接；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，所述狭缝型气道的横截面为狭缝型结构；所述狭缝型气道的一端为进气口，所述狭缝型气道的另一端为出气口；所述进气口与所述供气管路相接；

所述电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，所述线电极穿过所述输气机构的狭缝型气道内且靠近所述出气口处，所述线电极与所述狭缝型气道的横截面的长边平行；

所述供电机构包括高压交流电源，所述高压交流电源的高压输出端与所述线电极电连接，所述高压交流电源的接地端通过所述板电极接地线。

所述狭缝型气道的长度为2cm~20cm，所述狭缝型气道的横截面的长边大于2cm且小于5cm，所述狭缝型气道的横截面的短边小于5mm。

在所述线电极的两端设置有束紧装置，所述束紧装置用于使所述线电极保持呈直线状态；所述束紧装置包括相互匹配的螺母和螺栓，所述螺栓具有中空的轴芯，所述线电极的端部穿过所述螺栓的轴芯并与所述螺栓固接。

所述线电极的直径为0.1mm~1.0mm。

所述线电极在所述狭缝型气道内距狭缝型气道出气口的距离为3mm~10mm。

所述板电极的横截面为圆形、方形、三角形或六边形；当所述板电极的横截面为方形、三角形或六边形时，所述板电极的横截面的顶角呈倒圆角结构。

所述线电极与所述板电极之间的距离为20mm~100mm。

本发明由供气机构提供放电气体，放电气体经输气机构传输，输气机构的主体是由绝缘材料制成的狭缝型气道，该狭缝型气道的横截面为狭缝型结构，因此，气体在狭缝型气道内可稳定传输，通过调节流量计，可使气体在狭缝型气道内以层流状态流动，由狭缝型气道流出的气体进入放电空间；线电极沿气道的狭缝置于气道内且靠近出气口位置处，板电极与线电极相对设置，线电极位于气流的上游区域，板电极位于气流的下游区域，线电极与板电极之间的区域即为放电区域；使线电极连接高压交流电源的高压输出端，使板电极接地线，调节高压交流电源的输出电压，即可在线电极与板电极之间形成大尺度的明亮均匀的刷状等离子体羽（也称等离子体刷）。线电极和板电极成对设置，可以设置多对线电极和板电极，使得每一对线电极和板电极交错排列，或者说使得每一对线电极和板电极之间的放电空间交错排列，可进一步扩展所形成的等离子体刷的尺度，以利于大尺度大气压低温等离子体的应用。

本发明所提供的产生冷等离子体刷的装置，结构简单，产生的等离子体放电稳定、成本低，在材料制备、表面处理、材料蚀刻、臭氧合成、水处理、杀菌消毒、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生冷等离子体刷的方法，包括如下步骤：

a、设置供气机构；所述供气机构包括供气管路及与所述供气管路相接的储气罐；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

b、设置输气机构；所述输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，所述狭缝型气道的横截面为狭缝型结构；所述狭缝型气道的一端为进气口，所述狭缝型气道的另一端为出气口；所述进气口与所述供气管路相接；

c、设置电极机构；所述电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，所述线电极穿过所述输气机构的狭缝型气道内且靠近所述出气口处，所述线电极与所述狭缝型气道的横截面的长边平行；

d、设置供电机构；所述供电机构包括高压交流电源，所述高压交流电源的高压输出端与所述线电极电连接，所述高压交流电源的接地端通过所述板电极接地线；

e、打开供气管路上的气阀，由所述储气罐通过所述供气管路向所述输气机构的狭缝型气道内通入放电气体，放电气体经所述狭缝型气道后由出气口流出，进入开放的放电空间；

f、打开高压交流电源的开关，逐渐增加所述高压交流电源的输出电压，使得在所述线电极与所述板电极之间形成大尺度均匀的等离子体刷。

步骤e中还包括：调节供气管路上的流量计，以使放电气体在狭缝型气道内以层流状态流动。

步骤f中高压交流电源的频率范围为1.0kHz~100kHz，高压交流电源输出的电压波形为正弦波、方波或三角波。

所述狭缝型气道的长度为2cm~20cm，所述狭缝型气道的横截面的长边大于2cm且小于5cm，所述狭缝型气道的横截面的短边小于5mm；所述线电极与所述板电极之间的距离为20mm~100mm。

本发明所提供的产生冷等离子体刷的方法，通过设置供气机构、输气机构、电极机构和供电机构，打开供气管路上的气阀，使放电气体流入狭缝型气道，之后流入开放的放电空间；逐渐增加高压交流电源的输出电压，使得在线电极附近出现等离子体羽，调节板电极的位置，并进一步调节线电极上的电压值，直至放电等离子体连接线电极和板电极。在两个电极之间产生的等离子体是冷等离子体，且线电极和板电极均位于气流通道中，放电过程中两个电极温度不会过高，因此放电过程不会由于热不稳定性过渡到火花放电，即放电可以长时间稳定运行。由于电场方向与气流方向平行，因此属于平行场放电，该放电过程具有很高的电子温度和较高的化学反应效率。并且，刷形等离子体羽的横向尺度由线电极的有效长度决定，等离子体羽的纵向尺度由两个电极之间的距离决定，所产生的冷等离子体具有较大的横向尺度和纵向尺度。

本发明产生的冷等离子体刷尺度大、温度低、化学活性高，便于材料的大批量处理，对于推动大气压等离子体在材料制备、表面处理、材料蚀刻、臭氧合成、水处理、工业废气脱硫脱氮、杀菌消毒、飞行器减阻、航空器隐身等中的应用具有深远的意义和广泛的影响。

附图说明

图1是本发明中产生冷等离子体刷的装置的结构示意图。

图2是本发明实施例2在曝光时间为0.1s时放电空间的照片图。

图3是本发明实施例2在外加电压不同时放电电流及发光信号的周期性示意图。

图4是本发明实施例2中利用ICCD相机在曝光时间为80ns时所拍摄的冷等离子体刷的照片图。

图5是本发明实施例2中利用光纤测温仪获得的等离子体刷气体温度的空间分布图。

具体实施方式

实施例1，一种产生冷等离子体刷的装置。

如图1所示，本发明所提供的产生冷等离子体刷的装置包括供气机构、输气机构7、供电机构和电极机构。供气机构用于提供放电气体（或称工作气体），供气机构具体包括供气管路10和储气罐3（或称气瓶），储气罐3内盛放有放电气体，放电气体应该具有较低的击穿电场值，例如可以是氦气、氩气或氙气等惰性气体，也可以是它们的混合气体。储气罐3与输气机构7之间通过供气管路10相接，储气罐3内的气体通过供气管路10流入输气机构7。在供气管路10上设置有气阀4、气压表5和流量计6。打开气阀4，可以使气体在供气管路10内流通，通过气压表5可以调节供气管路10内气体压力，通过流量计6可以调节供气管路10内气体流量（或流速），本发明在实施过程中，应通过调节流量计6使放电气体在输气机构7的狭缝型气道内（见下面描述）以层流态流动。

输气机构7用于使放电气体在其内流通，以实现放电气体的稳定传输；输气机构7内用于实现气体流通的通道为狭缝型气道。狭缝型气道可由绝缘材料制成，绝缘材料例如可以为玻璃、石英或聚四氟乙烯等。狭缝型气道例如可以由两块相对的石英玻璃及两条玻璃条合围而成，两条玻璃条分别设置在两块石英玻璃的上下端之间，石英玻璃与玻璃条之间通过粘胶连接，两块石英玻璃与两条玻璃条即合围成一个狭缝型气道。狭缝型气道的横截面为狭缝状结构，即：要求气道横截面的长度远大于其宽度，使得气道的横截面远远看去像是一道狭缝，这种狭缝型的气道既保证了经济性，又能产生较大尺度的等离子体羽。本实施例中，狭缝型气道的横截面的长度（或称长边）一般大于2cm小于5cm，而狭缝型气道的横截面的宽度（或称短边）一般小于5mm。狭缝型气道的长度可以在2cm~20cm之间。狭缝型气道的一端（对应图中左端）为进气口，狭缝型气道的另一端（对应图中右端）为出气口。进气口与供气管路10相接，供气管路10内的气体经进气口进入狭缝型气道内，并经狭缝型气道的出气口流出。进气口处的形状可以设置为狭缝型，也可以设置为别的形状（例如圆形、方形等）；但出气口处的形状必须是狭缝型结构，即：出气口处的形状需与气道横截面的形状保持一致。

电极机构包括平行且相对设置的线电极8和板电极1。线电极8可以由钨、铜、铁或镍等任何具有良好导电率的金属丝形成，线电极8的直径一般控制在0.1mm~1.0mm之间。线电极8由上至下穿过输气机构7，并与狭缝型气道的轴心线垂直。线电极8在狭缝型气道内与气道的横截面的长边平行，且线电极8设置在气道内靠近出气口的位置处，一般设置线电极8距出气口的距离为3mm~10mm。板电极1可以由铜、铝或不锈钢等金属板制成，板电极1的厚度可以为0.1mm~20mm。板电极1与线电极8平行且正对，同时，板电极1位于由输气机构7输出的气体所形成的气流的下游区域。通过调整板电极1的位置，可以调整线电极8与板电极1之间的距离，一般使两个电极之间的距离在20mm~100mm之间。板电极1的横截面可以为圆形、方形、三角形或六边形等规则形状，也可以是不规则形状。板电极1的边缘应具有较小的曲率，以避免出现尖端放电。当板电极1的横截面为方形、三角形或六边形等这种具有尖锐顶角的截面时，应通过设置使板电极1的横截面的顶角呈倒圆角结构。板电极1的有效长度应小于线电极8的有效长度。线电极8的有效长度即为狭缝型气道横截面的长边的长度，板电极1的有效长度即为与线电极8的有效部位正对的位置处的长度。

线电极8应具有较大的曲率，以在其附近区域产生电晕放电从而降低放电击穿电压值。为了保证线电极8形成一条直线，本发明采用束紧装置9以对线电极8进行束紧。束紧装置9设置在线电极8的两端，束紧装置9包括相互匹配的螺母和螺栓，螺栓具有中空的轴芯，线电极8的端部穿过螺栓的轴芯并通过粘胶与螺栓固接，通过螺栓和螺母的相对位移可拉紧线电极8保持直线状态。

供电机构包括高压交流电源2和若干高压导线，高压交流电源2的高压输出端通过高压导线与线电极8电连接，高压交流电源2的接地端通过板电极1接地线。为了保证产生的等离子体羽较均匀且避免电火花，高压交流电源2的频率范围为1.0kHz~100kHz，高压交流电源2输出的电压波形为正弦波、方波或三角波等。

储气罐3内的气体经供气管路10进入输气机构7的狭缝型气道内，调节流量计6以使气体在狭缝型气道内以层流态流动。气体流量的大小根据气道横截面和工作气体的不同而有所变化，可以在一定范围内选择。气体经狭缝型气道后进入开放的放电空间，通过高压交流电源2给线电极8施加一高压电场，调节高压交流电源2的输出电压便可在线电极8与板电极1之间产生许多微流光，形成视觉均匀的刷状等离子体羽（或称等离子体刷），且所形成的等离子体刷具有横向和纵向上的大尺度。横向尺度为线电极8的有效长度，纵向尺度为两个电极之间的距离。因此，刷状等离子体羽的尺度由狭缝型气道横截面尺寸以及两个电极间距共同决定。本发明还可再增设若干狭缝型气道、线电极和板电极，使每一对线电极和板电极之间的放电空间交错排列，这样可进一步扩展等离子体羽的尺度，便于材料的大批量处理。

本发明中所形成的视觉均匀的等离子体羽源于不同时刻微放电的叠加，因此，放电等离子体具有较高的电子温度和较低的气体温度，且工作气体的流动会带走放电产生的热量，放电电极不需要额外的冷却装置。而且，放电产生的等离子体羽是脉冲的，每个周期的脉冲数目由外加电压的峰值、频率、工作气体种类及两个电极间的距离决定。

实施例2，一种产生冷等离子体刷的方法。

结合图1及实施例1中所描述，本发明所提供的产生冷等离子体刷的方法包括如下步骤：

a、设置供气机构。供气机构包括供气管路10及与供气管路10相接的储气罐3。本实施例中储气罐3内盛放的放电气体为氩气，在供气管路10上设置有气阀4、气压表5和流量计6。

b、设置输气机构7。输气机构7用于实现放电气体的传输，输气机构7内传输气体的通道为狭缝型气道，该狭缝型气道由石英玻璃绝缘材料制成，本实施例中狭缝型气道的横截面为矩形狭缝结构，矩形狭缝结构的长为4cm，宽为2mm。狭缝型气道的长度为10cm，狭缝型气道的一端为进气口，狭缝型气道的另一端为出气口。进气口与供气管路10相接。

c、设置电极机构。电极机构包括平行且相对设置的线电极8和板电极1。线电极8由直径为0.2mm的钨丝制成，线电极8设置在狭缝型气道内且靠近出气口处，线电极8与狭缝型气道的横截面的长边平行；线电极8的有效长度为4cm，线电极8距狭缝型气道出气口的距离为5mm。为保证线电极8呈直线状态，通过束紧装置9（见实施例1中描述）对线电极8进行束紧。板电极1的横截面为正六边形结构，为避免边缘产生电火花，将板电极1横截面的顶角设置为倒圆角结构，将板电极1的有效长度设置为2cm。板电极1距狭缝型气道出气口的距离为3cm。

d、设置供电机构。供电机构主要为高压交流电源2，高压交流电源2的高压输出端与线电极8电连接，高压交流电源2的接地端通过板电极1接地线。高压交流电源2的作用是使得在电压正半周期内产生一个或者几个从线电极8向板电极1运动的等离子体子弹。

e、打开供气管路10上的气阀4，由储气罐3通过供气管路10向输气机构7的狭缝型气道内通入放电气体，放电气体经狭缝型气道后由出气口流出，进入开放的放电空间。调节供气管路10上的流量计6，使得氩气流速为8L/min，此时氩气在狭缝型气道内以层流状态流动。

f、打开高压交流电源2的开关，逐渐增加高压交流电源2的输出电压，当输出电压高于8kV时，放电开始出现在线电极8和板电极1之间的区域。随着外加电压的增大，等离子体的亮度也逐渐增长，且均匀性变好。当外加电压达到12kV时，明亮的均匀等离子体刷出现。如图2所示，图2（a）中示出了未加电场时放电空间的照片图，图中坐标原点位于出气口的中心，Y轴沿气流方向；图2（b）是放电开始时放电空间的照片图；图2（c）是所产生的明亮均匀的等离子体刷的照片图。图2中各照片的曝光时间为0.1s。由图2可知，通过本发明的方法产生了较大尺度的均匀刷状等离子体羽。

本发明所产生的等离子体不仅空间均匀性好，其放电的时间周期性也很好。如图3（a）所示，当电压较低（峰值约为9kV）时，外加电压半周期内只有一次放电；如图3（b）所示，随着外加电压的增大，当电压峰值增大到约为10kV时，正半周期的放电个数增多（变为两个），而负半周期的放电个数保持不变；如图3（c）所示，随着电压的再次增加，当电压峰值增大到约12kV时，正半周期的放电个数又增多（变为三个），而负半周期的放电个数仍保持不变。因此，本发明放电所产生的等离子体羽是脉冲的；而每个周期的脉冲数目除了受外加电压峰值的影响外，还受到外加电压的频率、工作气体种类及两个电极之间的距离等因素的影响。

如图4所示，图4是利用ICCD相机所拍摄的本实施例所形成的均匀等离子体刷的高速成像照片图，曝光时间为80ns，由图4中各照片可以看出，均匀等离子体羽与平行场等离子体喷枪类似，均源于等离子体子弹（Plasma bullet）的高速移动；但其和交叉场等离子体刷不同，交叉场等离子体刷源于微放电沿着气流的移动（参见公开文献2015 PlasmaSources Sci. Technol. 24， 065020）。

本发明所产生的等离子体刷还具有较低的气体温度。如图5所示，图中坐标原点位于出气口中心，Y轴沿着气流方向；图5（a）示出了X轴上的气体温度分布图，图5（b）示出了Y轴上的气体温度分布图。由图5可知，放电气体温度相对都比较低，大致为室温左右，因此本发明所形成的等离子体称为冷等离子体。

Claims (7)

1.一种产生冷等离子体刷的装置，其特征是，包括供气机构、输气机构、供电机构和电极机构；

所述供气机构包括供气管路和提供放电气体的储气罐；所述储气罐通过所述供气管路与所述输气机构相接；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，所述狭缝型气道由两块相对的石英玻璃及两条玻璃条合围而成，两条玻璃条分别设置在两块石英玻璃的上下端之间，所述狭缝型气道的横截面为狭缝型结构；所述狭缝型气道的一端为进气口，所述狭缝型气道的另一端为出气口；所述进气口与所述供气管路相接；实施过程中，通过调节流量计使放电气体在输气机构的狭缝型气道内以层流态流动；所述狭缝型气道的长度为2cm~20cm，所述狭缝型气道的横截面的长边大于2cm且小于5cm，所述狭缝型气道的横截面的短边小于5mm；

所述电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，所述线电极穿过所述输气机构的狭缝型气道内且靠近所述出气口处，所述线电极与所述狭缝型气道的横截面的长边平行；所述板电极的边缘具有小的曲率，以避免出现尖端放电；所述线电极具有大的曲率，以在其附近区域产生电晕放电从而降低放电击穿电压值；在所述线电极的两端设置有束紧装置，所述束紧装置用于使所述线电极保持呈直线状态；所述束紧装置包括相互匹配的螺母和螺栓，所述螺栓具有中空的轴芯，所述线电极的端部穿过所述螺栓的轴芯并与所述螺栓固接；

所述供电机构包括高压交流电源，所述高压交流电源的高压输出端与所述线电极电连接，所述高压交流电源的接地端通过所述板电极接地线。

2.根据权利要求1所述的产生冷等离子体刷的装置，其特征是，所述线电极的直径为0.1mm~1.0mm。

3.根据权利要求1所述的产生冷等离子体刷的装置，其特征是，所述线电极在所述狭缝型气道内距狭缝型气道出气口的距离为3mm~10mm。

4.根据权利要求1所述的产生冷等离子体刷的装置，其特征是，所述板电极的横截面为圆形、方形、三角形或六边形；当所述板电极的横截面为方形、三角形或六边形时，所述板电极的横截面的顶角呈倒圆角结构。

5.根据权利要求1所述的产生冷等离子体刷的装置，其特征是，所述线电极与所述板电极之间的距离为20mm~100mm。

6.一种产生冷等离子体刷的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置供气机构；所述供气机构包括供气管路及与所述供气管路相接的储气罐；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

b、设置输气机构；所述输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，所述狭缝型气道由两块相对的石英玻璃及两条玻璃条合围而成，两条玻璃条分别设置在两块石英玻璃的上下端之间，所述狭缝型气道的横截面为狭缝型结构；所述狭缝型气道的一端为进气口，所述狭缝型气道的另一端为出气口；所述进气口与所述供气管路相接；所述狭缝型气道的长度为2cm~20cm，所述狭缝型气道的横截面的长边大于2cm且小于5cm，所述狭缝型气道的横截面的短边小于5mm；

c、设置电极机构；所述电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，所述线电极穿过所述输气机构的狭缝型气道内且靠近所述出气口处，所述线电极与所述狭缝型气道的横截面的长边平行；所述板电极的边缘具有小的曲率，以避免出现尖端放电；所述线电极具有大的曲率，以在其附近区域产生电晕放电从而降低放电击穿电压值；在所述线电极的两端设置有束紧装置，所述束紧装置用于使所述线电极保持呈直线状态；所述束紧装置包括相互匹配的螺母和螺栓，所述螺栓具有中空的轴芯，所述线电极的端部穿过所述螺栓的轴芯并与所述螺栓固接；

d、设置供电机构；所述供电机构包括高压交流电源，所述高压交流电源的高压输出端与所述线电极电连接，所述高压交流电源的接地端通过所述板电极接地线；

e、打开供气管路上的气阀，由所述储气罐通过所述供气管路向所述输气机构的狭缝型气道内通入放电气体，调节供气管路上的流量计，以使放电气体在狭缝型气道内以层流状态流动，放电气体经所述狭缝型气道后由出气口流出，进入开放的放电空间；

f、打开高压交流电源的开关，逐渐增加所述高压交流电源的输出电压，使得在所述线电极与所述板电极之间形成大尺度均匀的等离子体刷。

7.根据权利要求6所述的产生冷等离子体刷的方法，其特征是，步骤f中高压交流电源的频率范围为1.0kHz~100kHz，高压交流电源输出的电压波形为正弦波、方波或三角波。