CN105848399B - 一种辉光放电射流等离子体生成结构 - Google Patents

一种辉光放电射流等离子体生成结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种辉光放电射流等离子体生成结构，包括一绝缘介质，绝缘介质开设有容纳工作气体通过的通孔，通孔外侧对称设置有接地电极，接地电极通过接地接线端子与工作电源连接；还包括通过高压接线端子与工作电源连接的高压电极，高压电极横穿通孔并与通孔截面呈交叉设置，高压电极位于通孔的部分处于通孔外侧接地电极之间；工作气体通过通孔导入，在通孔内的强电场作用下发生辉光放电，产生的等离子体在通孔的出口处喷射形成射流等离子体。本发明在相同的技术条件下能够产生均匀的非惰性气体辉光放电射流等离子体，从而能够使等离子体中的活性粒子得到充分利用，在材料处理和生物医学的应用中得到更加广泛的应用推广。

Description

一种辉光放电射流等离子体生成结构
技术领域
本发明属于气体放电等离子体生成技术领域，更具体地，涉及一种在大气压下产生低温射流等离子体尤其是辉光放电射流等离子体生成结构。
背景技术
相比于传统的气体放电等离子体，大气压低温射流等离子体的最大优势在于等离子体被喷射出放电区域，操作人员无需接触高压电极，使用的安全性大大提高。此外，大气压低温射流等离子体的生成装置摆脱了昂贵的真空系统，且该类射流型等离子体的焦耳发热较低，电能几乎都用于等离子体中粒子活性的激发，在一定的条件下(如高压电极与外部正弦高压电压通过RC网络相连接，通过调节电阻或电容的大小，调节等离子体射流的功耗、电流和温度)，产生的等离子体温度可以接近室温。大气压低温射流等离子体作为一种新型的大气压等离子体放电技术，具有射流温度低、活性粒子种类多等特点，广泛应用于材料表面处理、生物医学(辅助伤口治疗、血液凝结、牙齿根管治疗、杀灭癌细胞、消毒杀菌、各种皮肤病治疗)、环境治理(空气净化与污染的防治、污水处理)等领域。
而现有技术中，大气压低温射流等离子体大多是在惰性气体气中生成的。但是惰性气体价格昂贵，生产成本高，不利于实际应用。因此，研究如何在大气压下利用成本低廉的非惰性气体生成低温射流等离子体成为了当前技术的热点与难点。
现有利用氮气和空气等典型非惰性气体生成低温射流等离子体的装置如下：
(1)微孔阴极放电(英文简称MHCD)
微孔阴极放电(英文简称MHCD)，因其能够在大气压下利用氮气或者空气产生低温射流等离子体而成为近年来研究者们关注的热点。
典型氮气低温射流等离子体生成装置如图1所示，由Hong等人研制。Hong Y C,UhmH S.Microplasma jet at atmospheric pressure[J].Applied Physics Letters,2006,89(22):1504-221504.中，Hong的氮气射流生成装置包括绝缘介质01，置于绝缘介质01中且用直径和厚度分别为20毫米和3毫米的圆形铝片制成的高压电极02和接地电极03，位于两个电极中央，直径为0.5mm的通孔04；将两电极隔开的一个厚度为1.5毫米的绝缘介质板05(介质板05中心有与通孔04直径相同且对齐的圆孔)。当施加工作电源(交流电源)06和通入工作气体(氮气)07时，该装置能在外部空间中产生长达6.5厘米的氮气射流等离子体08，同时实验表明距离喷口2厘米处的射流气体温度接近于室温。但是其通孔04直径仅为0.5mm，生成的射流等离子体面积小，不利于实际应用。且放电形式为剧烈的弧光放电，射流等离子体在经过2厘米以后的距离之后温度才降为室温，对于一些生物医学上的应用(如牙齿清洗、根管治疗以及伤口辅助愈合等)不能确保安全。
类似的还有在Ni T L,Ding F,Zhu X D,et al.Cold microplasma plumeproduced by a compact and flexible generator at atmospheric pressure[J].Applied Physics Letters,2008,92(24):241503-241503-3.中所描述的装置，也存在上述问题。
还有学者也利用微孔阴极放电在大气压下产生了空气的射流等离子体。如，HongY C,Uhm H S.Air plasma jet with hollow electrodes at atmospheric pressure[J].Physics of plasmas,2007,14(5).、Mohamed A A H,Kolb J F,Schoenbach K H.Lowtemperature,atmospheric pressure,direct current microplasma jet operated inair,nitrogen and oxygen[J].The European Physical Journal D,2010,60(3):517-522.、Kim K,Choi J D,Hong Y C,et al.Atmospheric-pressure plasma-jet frommicronozzle array and its biological effects on living cells for cancertherapy[J].Applied Physics Letters,2011,98(7):3701-073701.等。但其所描述装置的通孔直径都在亚毫米级别，形成的等离子体面积小，不利于实际应用。
总之，微孔阴极放电虽然能够在大气压下利用非惰性气体产生低温射流等离子体，但是由于其装置的通孔直径都在亚毫米级别，形成的射流等离子体面积小，且其喷射出的等离子体在经过一段距离之后才降为室温，另外，其放电的高压电极大多都是裸露的，又这又加大了其使用时的安全隐患。这些因素都成为了当前微孔阴极放电的主要缺陷。
(2)带悬浮电极的低温射流等离子体生成装置
除了微孔阴极放电，还有学者研制的一些带悬浮电极的低温射流等离子体生成装置也能够在大气压下利用非惰性气体(氮气和空气为主)产生低温射流等离子体。如中国专利申请号200810236697.7中描述的射流等离子体生成装置如图2所示，该装置包括工作电源6，空心管状高压电极2，通孔4，连接于电源和高压电极之间的用于限制放电电流的电容9和电阻10。工作时，工作气体7从通孔4的一侧通入，施加电压后，经连接于电源和高压电极之间的电容9和电阻10的限流作用而产生符合安全标准的低温射流等离子体8。很显然，该装置的结构只有接高压的单电极结构，没有接地电极，这本身就存在一定的安全隐患。另外，带悬浮电极的低温等离子体射流装置所产生的低温等离子体还有放电不均匀的问题。
类似的装置还有Wu S Q,Lu X P,Xiong Z L,et al.A touchable pulsed airplasma plume driven by DC power supply[J].Plasma Science,IEEE Transactionson,2010,38(12):3404-3408、中国专利201320361376.6等都存在这些缺陷。
而辉光放电等离子体是一种典型的低射等离子体，它除了具有低温等离子体的特性外，其最大的特点就是放电均匀，活性粒子更多，安全性更高。而当前几乎所有的射流等离子体生成装置都无法在大气压下利用非惰性气体生成辉光放电射流等离子体。
针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种在大气压下产生低温射流等离子体尤其是辉光放电射流等离子体的生成结构，旨在解决现有技术很难在大气压下利用非惰性气体产生大孔径和大面积的辉光放电射流等离子体的技术难题。
另外，本发明的所有放电电极都位于良好的绝缘介质内部，产生的射流等离子体属于辉光放电的范畴，可以有效解决现有等离子体射流装置存在的电极不安全和放电不均匀的问题。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种辉光放电射流等离子体生成结构，包括一绝缘介质101，绝缘介质101开设有容纳工作气体通过的通孔104，通孔104外侧对称设置有接地电极103，接地电极103通过接地接线端子113与工作电源连接；还包括通过高压接线端子112与工作电源连接的高压电极102，高压电极102横穿通孔104并与通孔104截面呈交叉设置，高压电极102位于通孔104的部分处于通孔外侧接地电极103之间；工作气体107通过通孔104导入，在通孔104内的强电场作用下发生辉光放电，产生的等离子体在通孔104的出口处喷射形成射流等离子体108。
所述通孔104容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道111。
所述绝缘介质101外形为球状、椭球状、方形状或者不规则形状，材料为介电绝缘材料，选自聚四氟乙烯、硅橡胶、石英玻璃、玻璃、陶瓷或环氧乙烯的一种。
所述通孔104均布设置2个以上，通孔104为圆孔、椭圆孔、方孔或者不规则形状。
所述高压电极102采用钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维制成的裸导体。
所述高压电极102为有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料选自聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯的一种。
所述接地电极103位于所述通孔104周围，接地电极103形状为薄片状、圆柱状或者不规则形状，材料为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。
所述工作气体107为氦气、氩气、氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物或气态有机物。
本发明的有益效果是：
本发明利用形成最大电场强度的所述绝缘介质与所述高压电极的交界处最先放电，产生放电所需的初始电子，从而有效降低整个装置放电的起始放电电压。并考虑电场强度在介质分界面上的折射规律，利用所述绝缘介质和通孔之间形成的弧形不均匀特点，与所述高压电极和接地电极相互配合下形成了不均匀介质阻挡的方式，形成有利于产生均匀的辉光放电等离子体的电场分布，避免放电向丝状放电和弧光放电的转化。在气流等其他因素的共同作用下，在通孔的出口处生成稳定均匀的辉光放电射流等离子体，有效解决了现有技术中在大气压下利用非惰性气体生成大孔径的辉光放电射流等离子体的技术难题。作为本发明的一种改进方案，在相同的技术条件下，多个通孔可以并列放置，能够产生大面积的非惰性气体辉光放电射流等离子体，从而能够使等离子体中的活性粒子得到充分利用，在材料处理和生物医学等领域应用中得到更加广泛的应用推广。
进一步地，实验证明本发明除了可以在大气压下利用惰性气体产生大孔径的辉光放电射流等离子体，还可以在大气压下利用非惰性气体(氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物或气态有机物)产生大孔径和大面积的辉光放电射流等离子体，从而解决了现有技术的难题。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
1、图1是现有技术中典型的氮气射流等离子体生成装置示意图；
2、图2是现有技术中典型的带悬浮电极的低温射流等离子体生成装置；
3、图3是本发明的实施例1的结构示意图；
4、图4是本发明实施例1的横剖面图；
5、图5是本发明实施例1的实验照片示意图，其中图5a为氮气射流等离子体，图5b为电压8千伏，气流流量40升每分钟时的电压电流波形图；
6、图6为本发明实施例2的结构示意图；
7、图7为本发明实施例3的结构示意图；
8、图8为本发明其余实施例的结构示意图；
9、图9为本发明其余实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
图3是本发明的实施例1的结构示意图；图4是本发明实施例1的横剖面图；图4中略去了容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道、高压接线端子和接地接线端子，如图3、图4所示，本发明的一种辉光放电射流等离子体生成结构，包括一绝缘介质101，绝缘介质101开设有容纳工作气体通过的通孔104，通孔104容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道111。通孔104外侧对称设置有接地电极103，接地电极103通过接地接线端子113与工作电源连接；还包括通过高压接线端子112与工作电源连接的高压电极102，高压电极102横穿通孔104并与通孔104截面呈交叉设置，高压电极102位于通孔104的部分处于通孔外侧接地电极103之间；工作气体107通过通孔104导入，在通孔104内的强电场作用下发生辉光放电，产生的等离子体在通孔104的出口处喷射形成射流等离子体108。
其中通孔104直径为3.5毫米；高压电极102为6根带有聚四氟乙烯材料包裹的铜导线，其中聚四氟材料厚为0.2毫米，铜导线直径为0.6毫米，两两导线之间圆心距为3毫米；高压接线端子112为将6根高压电极102相互连接且能够与外部工作电源相连接的导线，其中一部分位于绝缘绝缘介质101内部；接地电极103为水平放置于绝缘绝缘介质101内的铜片，其位于通孔104的上下两侧，距离通孔104最近处为0.5毫米；接地接线端子113为将2个接地电极103分别与外部工作电源相连接的导线，其中一部分位于绝缘绝缘介质101内部。
图4中，工作时，将本实例中所描述的高压电极102和接地电极103分别接于电压为0到10千伏可调，频率为0到50千赫兹可调的交流电源的高压端和接地端，与外部工作气体管道连通的空气管道111内导入工作气体107，在通孔104内产生较大面积的辉光放电等离子体，在通孔104的出气口附近也可以看到均匀的辉光放电射流等离子体108。所述工作气体可为氦气、氩气、氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物或气态有机物。
以氮气为例，通孔104的直径为3.5毫米，当通入的气流流量为40升/分钟，交流电源频率为20千赫兹，电压为8千伏时，在通孔104的出气口处产生氮气辉光放电射流等离子体108，其射流长度在1厘米左右，另外，其活性高，密度大，温度接近室温，可用手直接触摸，有利于实际应用。
图5a是本实施例1在氮气气流量为40升每分钟，放电电压为千伏，频率为20千赫兹条件下产生的射流等离子体的照片，通过气流流量和放电电压的相互配合、射流等离子体长度会发生变化。从图中可以看出，经气流喷射出的等离子体放电比较均匀，无特别明亮的细丝，属于典型的辉光放电射流等离子体状态。
图5b是本实施例1在氮气流量为40升每分钟，电压为8千伏，频率为20千赫兹的条件下放电电压电流波形图，图中包括电压波形图和电流波形图。从图中可以看出当放电电压为8kV时，放电电流的最大值仅为10mA。
目前已存在的低温射流等离子体装置基本上都可以在大气压下利用惰性气体产生大孔径和大面积的低温射流等离子体，但对于非惰性气体低温射流等离子体装置的孔径都在亚毫米级别，如前文所述几种典型的氮气和空气射流等离子体发生装置。本发明利用实例中形成最大电场强度的绝缘介质101和高压电极102(6根由聚四氟乙烯绝缘材料包裹的铜丝)交界处最先放电，产生放电所需的初始电子，从而有效降低整个装置放电的起始放电电压。并考虑电场强度在介质分界面上的折射规律，利用所述绝缘介质104和通孔101之间形成的弧形不均匀特点，与所述高压电极102和接地电极103相互配合下形成了不均匀介质阻挡的方式，形成有利于产生均匀的辉光放电等离子体的电场分布，避免放电向丝状放电和弧光放电的转化。在气流等其他因素的共同作用下，生成稳定均匀的辉光放电射流等离子体。实验证明，本发明除了可以在大气压下利用惰性气体产生辉光放电射流等离子体，还可以在大气压下利用非惰性气体(氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物或气态有机物)产生辉光放电射流等离子体，从而解决了现有技术的难题。
另外，绝缘介质101为球状、椭球状、方形状或者不规则形状，本实施例采用的为长方体形状，材料为介电绝缘材料，选自聚四氟乙烯、硅橡胶、石英玻璃、玻璃、陶瓷或环氧乙烯的一种。所述高压电极102采用钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维制成的裸导体。或者，所述高压电极102为有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料选自聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯的一种。
工作电源为交流电源、脉冲电源或射频电源。
实施例2：
如图6所示，图6中略去了容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道、高压接线端子和接地接线端子，本实施例其余结构与实施例1相同，区别在于通孔104均布设置2个以上，本实施例均布设置有4个，通孔104为圆孔，高压电极102横穿通孔104并与通孔104截面呈交叉设置，高压电极102位于通孔104的部分处于通孔外侧接地电极103之间；
工作过程与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例3：
如图7所示，图7中略去了容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道、高压接线端子和接地接线端子，本实施例其余结构与实施例1相同，区别在于通孔104为不规则形状，工作过程与实施例1相同，此处不再赘述。
另外，所述接地电极103位于所述通孔104周围，接地电极103形状为薄片状、圆柱状或者不规则形状(如图8、图9所示)，材料为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，包括一绝缘介质(101)，绝缘介质(101)开设有容纳工作气体通过的通孔(104)，通孔(104)外侧对称设置有接地电极(103)，接地电极(103)通过接地接线端子(113)与工作电源连接；还包括通过高压接线端子(112)与工作电源连接的高压电极(102)，高压电极(102)横穿通孔(104)并与通孔(104)截面呈交叉设置，高压电极(102)位于通孔(104)的部分处于通孔外侧接地电极(103)之间；工作气体(107)通过通孔(104)导入，在通孔(104)内的强电场作用下发生辉光放电，产生的等离子体在通孔(104)的出口处喷射形成射流等离子体(108)。
2.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述通孔(104)容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道(111)。
3.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述绝缘介质(101)外形为球状、椭球状、方形状或者不规则形状，材料为介电绝缘材料，选自聚四氟乙烯、硅橡胶、石英玻璃、玻璃、陶瓷或环氧乙烯的一种。
4.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述通孔(104)均布设置2个以上，通孔(104)为圆孔、椭圆孔、方孔或者不规则形状。
5.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述高压电极(102)采用钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维制成的裸导体。
6.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述高压电极(102)为有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料选自聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯的一种。
7.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述接地电极(103)位于所述通孔(104)周围，接地电极(103)形状为薄片状、圆柱状或者不规则形状，材料为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。
8.根据权利要求1所述的一种辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述工作气体(107)为氦气、氩气、氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物或气态有机物。
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