CN105792495B - 一种产生大气压均匀等离子体刷的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生大气压均匀等离子体刷的装置，包括有放电部分和供气部分：放电部分由介质板构件、放电电极对、增强电极对和交流电源构成；供气部分连接于介质板构件后端端口处。另外，本发明还公开了产生大气压均匀等离子体刷的方法，包括步骤：（1）启动供气部分，为介质板构件提供工作气体；（2）启动交流电源，使增强电极对之间产生介质阻挡放电，然后使放电电极对之间产生介质阻挡放电，然后微调交流电源的电压和输出频率，产生稳定的大气压均匀等离子体刷。本发明提供的装置结构简单、成本低廉，使用该装置产生单位体积等离子体刷尺寸大，空间分布均匀，温度低，无需水冷，且产生单位体积等离子体羽功耗小，在工业应用上更有优势。
Description
技术领域
本发明涉及低温等离子体技术，具体的说是一种产生大气压均匀等离子体刷的装置和方法。
背景技术
大气压等离子体在各个领域具有广泛的应用前景，例如工业上的材料制备、表面处理、材料蚀刻，环境保护中的污水处理和医疗方面的伤口杀菌消毒等。空气环境中的大气压等离子体一般可以通过电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电等方法来产生。通过电晕放电产生的等离子体体积较小仅出现在尖端电极附近，因而会限制了它在工业方面上需要较大规模处理的应用。电弧放电产生的等离子体的气体温度一般都比较高，容易损伤待处理的热敏感材料，且通常需要水冷装置配套使用。而辉光介质阻挡放电所产生的大气压等离子体具有较好的均匀性、较低的气体温度、较高的电子温度和适中的电子密度等特点，因而成为获得大气压等离子体的常用手段。
虽然大气压等离子体应用到更广泛的范围内，如何在开放的环境中获得大气压均匀等离子体就显得尤为重要。现在国内外，通常利用等离子体喷枪或者滑动弧放电获得空气环境中的均匀等离子体。如公开号为CN103079329A的发明专利所报道的等离子体喷枪，但是该喷枪所产生的等离子体羽呈圆柱状，其直径较小（约几个毫米，最大到一个厘米左右），不利于工业中大面积材料处理。滑动弧放电可以增大处理面积，然而滑动弧放电（如公开号为CN101778526A的发明专利）气体温度通常为几千开尔文，在使用过程中，容易损伤待处理的热敏材料，有时甚至需要配套水冷装置使用，且在放电过程中其产生单位体积的等离子体羽功率消耗大。
以上两种方式所产生的等离子体羽因其自身所具备的一些特性导致其在应用上受到一些限制，因此，研究者将注意力转移到辉光介质阻挡放电的研究上面，希望能从这一角度入手，获得更加均匀的大气压等离子体刷的产生方法。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够产生大气压均匀等离子体刷的装置，以解决现有方法所产生的离子体刷均匀性不好的问题。
本发明的目的之二是提供一种产生大气压均匀等离子体刷的方法，以解决现有方法所产生的大气压等离子体刷均匀性不好的问题。
本发明的目的之一是这样实现的：
一种产生大气压均匀等离子体刷的装置，包括有放电部分和供气部分：
所述放电部分由介质板构件、放电电极对、增强电极对和交流电源构成；
所述介质板构件由两块平行设置的介质板构成，且两块所述介质板的左右边缘之间密封；
所述放电电极对由相对设置于两块介质板之间且靠近介质板前端左右两侧的第一针电极和第二针电极构成，所述第一针电极由放电针芯及包裹于放电针芯外部的介质管构成，所述第二针电极与所述第一针电极结构相同；
所述增强电极对由左右横向设置于所述介质板构件中部上下表面的第一裸露电极和第二裸露电极构成；
其中，所述第一针电极和所述第一裸露电极均与所述交流电源的高压输出端连接，所述第二针电极和所述第二裸露电极均与所述交流电源的接地端连接；
所述供气部分连接于所述介质板构件后端端口处。
所述的产生大气压均匀等离子体刷的装置，所述供气部分由储气罐和连接在储气罐上的气体管路构成，所述气体管路的另一端连接于所述介质板构件后端端口处。
所述的产生大气压均匀等离子体刷的装置，所述介质板所形成的腔体的厚度为100μm～8mm，宽度为20mm～65mm；所示第一裸露电极与所述第二裸露电极间的距离为0.3mm～20mm；所述放电电极对与所述增强电极对间的距离为20mm～150mm。
另外，所述的产生大气压均匀等离子体刷的装置，所示介质板与所述介质管均采用绝缘材料，所述绝缘材料为优选为玻璃、石英或聚四氟乙烯；所述放电针芯为导电液或金属材料；所述第一裸露电极和所述第二裸露电极为导电液或金属材料。
本发明的目的之二是这样实现的：
利用所述装置产生大气压均匀等离子体刷的方法，包括以下步骤：
（1）启动供气部分，为介质板构件的腔体提供工作气体；
（2）启动交流电源，增加交流电源电压，使增强电极对之间产生介质阻挡放电，然后继续增加交流电源电压，使放电电极对之间产生介质阻挡放电，然后在当前交流电源电压的基础上微调交流电源的电压和输出频率，使介质板构件前端端口处产生稳定的大气压均匀等离子体刷；
其中，在所述介质板构件的腔体前端端口处，所述工作气体的流量在0.01 L/min·mm2~20 L/min·mm2之间。
利用所述装置产生大气压均匀等离子体刷的方法，使放电电极对之间和增强电极对之间产生介质阻挡放电的交流电源的输出频率在50Hz~13.56MHz之间。
优选的，所述工作气体的流量为0.1 L/min·mm2~1 L/min·mm2。
另外，利用所述装置产生大气压均匀等离子体刷的方法，所述工作气体为惰性气体或惰性气体与空气的混合气体，所述惰性气体优选为氦气、氖气或氩气；
本发明提供的装置结构简单、成本低廉，使用该装置产生单位体积等离子体刷的功耗小，并且本发明所产生的等离子体刷具有以下优点：
（1）尺寸大，空间分布均匀，不会限制待处理材料的尺度，扩大了应用范围；
（2）温度低，无需水冷，不损坏待处理的热敏材料；
（3）产生单位体积等离子体羽功耗小，在工业应用上更有优势；
本发明所产生的大气压均匀等离子体刷在材料制备、表面处理、材料蚀刻、污水处理、杀菌消毒等领域具有广泛的应用前景，它对于推动等离子体材料制备、表面处理、材料蚀刻、薄膜生长、污水处理、伤口消毒，和工业废气脱硫脱硝处理等应用将具有重要的意义。
本发明在针针介质阻挡放电装置中再增加一组介质阻挡放电，并且产生辉光放电。对装置结构中介质板外侧的电极施加电压，并在气道中产生辉光放电丝，这些放电丝产生的活性粒子可以随工作气体的流动向喷口方向移动。由于针针介质阻挡放电喷口处的尖端效应，因此喷口外部区域也有较强的电场，再加上上游在介质板间的介质阻挡放电产生的活性粒子，使产生的等离子体在工作气的体流动下被吹出喷口，且沿着气流方向在空气环境中形成了均匀的大气压等离子体刷。
附图说明
图1是本发明产生大气压均匀等离子体刷装置的整体结构示意图。
图2是本发明产生大气压均匀等离子体刷装置的介质板构件前端端口处的截面剖视图。
图3是本发明的实施例2及对比例1~3所产生的等离子体刷实例图。
图4是本发明的实施例2及对比例1~3所产生的等离子体均匀性数据统计结果。
图5是本发明的实施例2所产生的等离子体刷的发射光谱。
图6是本发明的对比例2所产生的等离子体刷的发射光谱。
图中：1、介质板，2、介质管，3、气道，4、电极，5、第一裸露电极，6、第二裸露电极，7、交流电源，8、气体体积流量计，9、储气罐， 10、等离子体刷，11、第一针电极，12、第二针电极。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的装置及方法做进一步阐述，但不以任何形式限制本发明的内容。
实施例1
本发明产生大气压下均匀等离子体刷的装置的结构如图1、图2所示，其主要包括放电部分和供气部分。
放电部分由介质板构件、放电电极对、增强电极对和交流电源7构成。
介质板构件由两块平行设置且左右边缘之间密封设置的介质板1构成，两块介质板1间的缝隙形成气道3。介质板1采用石英材料制成，其左右宽度为25mm、前后高度为70mm，介质板1的厚度为1mm，两块介质板所形成的腔体的厚度（即气道3的厚度）为2mm。
放电电极对由针针相对设置于两块介质板1之间且靠近介质板构件的前端端口处的第一针电极11和第二针电极12构成，其中，第一针电极11放电尖端与第二针电极12放电尖端距离W为20mm，第一针电极11的由放电针芯4（采用铜丝制成）及包裹于放电针芯4上的介质管2构成，第二针电极12与第一针电极11结构相同。其中，介质管2采用石英材料制成，其半剖面为U型，介质管2的外径为2mm，等于气道3的厚度，内径为1mm，其内的放电针芯4直径为1mm。
增强电极对由左右横向设置于介质板构件中部上下表面的第一裸露电极5和第二裸露电极6构成，第一裸露电极5和第二裸露电极6的为宽度5mm铜片制成，第一裸露电极5与第二裸露电极6间的距离H为4mm（以介质板厚度+气道厚度+介质板厚度计），且第一裸露电极5和第二裸露电极6的长度不小于介质板构件的宽度。
交流电源7的高压输出端分别连接第一针电极和第一裸露电极5，交流电源7的接地端分别连接第二针电极和第二裸露电极6。
另外，本实施例中，放电电极对与增强电极对间的距离L为50mm。
供气部分由储存有工作气体（氩气）的储气罐9和连接在储气罐9上的气体管路构成，气体管路的另一端接在介质板构件的后端端口（即气道3的后端）处，在气体管路上设置有一个气体体积流量计8。
实施例2
采用实施例1中的装置产生大气压均匀等离子体刷的方法，具体操作步骤如下：
（1）启动供气部分，输出氩气至气道，调节气体流量计至氩气的体积流量为8 L/min（即气道截面单位面积的体积流量为0.16L/min·mm2）；
（2）增加交流电源（输出频率为60kHz）电压至4kV时，增强电极对在气道内产生辉光介质阻挡放电，然后继续增加交流电源电压至8kV时，放电电极对之间产生介质阻挡放电，然后在8kV、60kHz的基础上调整交流电源的电压和频率，当电压调至11kV、输出频率为60kHz时，在气道的端口外形成了均匀的大气压等离子体刷10（见图1所示），拍照图片如图3所示。
图3（实施例2图）是在外加电压峰值为11kV、输出频率为60kHz、气体流量计气流为8 L/min时所形成的等离子体刷的实例图，所形成的等离子体刷宽度为2cm、长度为2cm。经检测，本实施例所产生的等离子体刷温度38℃～50℃。
本实施例中提到的电压、输出频率和气体体积流量的值只针对实施例1所提到的装置参数适用，在具体实施过程中视装置的具体参数情况可以增大或减小电压和频率、气体体积流量。
在实施例1的基础上，对实施例1装置的尺寸，如介质板所形成腔体的厚度与宽度，第一裸露电极与第二裸露电极尖端的间距、放电电极对于增强电极对的距离等在本发明所公开的范围内进行调整，并在实施例2的基础上，对交流电源的电压（调节范围一般在3.5kV~20 kV之间）和输出频率、气体流量进行合适调整，均可以产生出如图3（实施例2图）所示的大气压均匀等离子体刷。
对比例1
将实施例1装置中的增强电极对移除，作为本对比例中的实验装置，按以下操作步骤进行实验：
（1）启动供气部分，输出氩气至气道，调节气体流量计至氩气的体积流量为8 L/min；
（2）增加交流电源（输出频率为60kHz）电压至8.5kV时，气道的端口外形成不稳定的等离子体刷，然后在8.5kV、60kHz的基础上调整交流电源的电压和输出频率，当电压调节至11kV、输出频率为62kHz时，在气道的端口外形成稳定的等离子体刷。
图3（对比例1图）是在外加电压峰值为11kV、输出频率为62kHz、气体流量计气流为8 L/min时所形成的等离子体刷的实例图，所形成的等离子体刷宽度为20mm、长度为18.5mm。
对比例2
用铜丝制成的裸露电极对替换实施例1的装置中的放电电极对，作为本对比例中的实验装置，按以下操作步骤进行实验：
（1）启动供气部分，输出氩气至气道，调节气体流量计至氩气的体积流量为8 L/min；
（2）增加交流电源（输出频率为60kHz）电压至4kV时，增强电极对在气道内产生辉光介质阻挡放电，然后继续增加交流电源电压至8kV时，放电电极对之间产生介质阻挡放电，然后在8kV、60kHz的基础上调整交流电源的电压和频率，当电压调至11kV、输出频率为60kHz时，在气道的端口外形成了稳定的大气压等离子体刷。
图3（对比例2图）是在外加电压峰值为11kV、输出频率为60 kHz、气体流量计气流为8 L/min时所形成的等离子体刷的实例图。
对比例3
用铜丝制成的裸露电极对替换实施例1装置中的放电电极对并移除增强电极对，作为本对比例中的实验装置，按以下操作步骤进行实验：
（1）启动供气部分，输出氩气至气道，调节气体流量计至氩气的体积流量为8 L/min；
（2）增加交流电源（输出频率为60kHz）电压至8.5kV时，在气道的端口外形成不稳定的等离子体刷，然后在8.5kV、60kHz的基础上交流电源的电压和输出频率，当电压调节至11kV、输出频率为62kHz时，在气道的端口外形成稳定的等离子体刷。
图3（对比例3图）是在外加电压峰值为11kV、输出频率为62kHz、气体流量计气流为8 L/min时所形成的等离子体刷的实例图。
对实施例2及对比例1~3所产生的等离子体刷，通过放电现象的标准差表征放电现象的均匀性，结果如图4所示，由图4中统计结果及图3拍照图片可以看出，采用本发明实施例1的装置及采用实施例2的方法所产生的等离子体刷的均匀性明显比对比例1~3所产生的等离子体刷更好。
对实施例2的放电电极对及对比例2的裸露电极对所产生的等离子体刷的发射光谱进行检测，结果如图5和图6所示，对比图5和图6可以看出对比例2所产生的等离子体羽的发射光谱中有电极元素的发射谱线，也就是说，裸露的电极会对形成的等离子体有影响，且使用裸露的电极放电对电极有腐蚀作用，影响电极寿命。
Claims (4)
1.一种产生大气压均匀等离子体刷的装置，其特征是，包括有放电部分和供气部分：
所述放电部分由介质板构件、放电电极对、增强电极对和交流电源构成；
所述介质板构件由两块平行设置的介质板构成，且两块所述介质板的左右边缘之间密封；
所述放电电极对由相对设置于两块介质板之间且靠近介质板前端左右两侧的第一针电极和第二针电极构成，所述第一针电极由放电针芯及包裹于放电针芯外部的介质管构成，所述第二针电极与所述第一针电极结构相同；
所述增强电极对由左右横向设置于所述介质板构件中部上下表面的第一裸露电极和第二裸露电极构成，且第一裸露电极和第二裸露电极的长度不小于介质板构件的宽度；
其中，所述第一针电极和所述第一裸露电极均与所述交流电源的高压输出端连接，所述第二针电极和所述第二裸露电极均与所述交流电源的接地端连接；所述介质板与所述介质管均采用绝缘材料，所述绝缘材料为玻璃、石英或聚四氟乙烯；所述放电针芯为导电液或金属材料，所述第一裸露电极和第二裸露电极为金属材料；
所述供气部分连接于所述介质板构件后端端口处；
所述介质板所形成的腔体的厚度为100μm～8mm，宽度为20mm～65mm；所述第一裸露电极与所述第二裸露电极间的距离为0.3mm～20mm；所述放电电极对与所述增强电极对间的距离为20mm～150mm。
2.根据权利要求1所述的产生大气压均匀等离子体刷的装置，其特征是，所述供气部分由储气罐和连接在储气罐上的气体管路构成，所述气体管路的另一端连接于所述介质板构件后端端口处。
3.利用权利要求1所述装置产生大气压均匀等离子体刷的方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）启动供气部分，为介质板构件的腔体提供工作气体；
（2）启动交流电源，增加交流电源电压，使增强电极对之间产生介质阻挡放电，然后继续增加交流电源电压，使放电电极对之间产生介质阻挡放电，然后在当前交流电源电压的基础上微调交流电源的电压和输出频率，使介质板构件前端端口处产生稳定的大气压均匀等离子体刷；
其中，在所述介质板构件的腔体前端端口处，所述工作气体的流量在0.01L/min·mm2~20L/min·mm2之间。
4.根据权利要求3所述装置产生大气压均匀等离子体刷的方法，其特征是，使放电电极对之间和增强电极对之间产生介质阻挡放电的交流电源的输出频率在50Hz~13.56MHz之间。
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