CN106068053B - 一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置及方法。该装置包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括空心针电极、电介质块和液体电极；空心针电极竖直插接在电介质块内，并通过电介质管与供气机构中的气瓶相接；液体电极位于空心针电极的下方；空心针电极与供电机构中的高压直流电源的高压输出端电连接，液体电极接地线。仅利用大气环境中的空气为工作气体，在两电极之间可产生均匀连续放电；当通过电介质管向空心针电极通入惰性气体时，在两电极之间可产生周期性排列的等离子体光子晶体。本发明提供的装置利用不同的工作气体，可以产生大气压均匀连续放电或等离子体光子晶体，实现了功能的多样化。

Description

一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体应用技术和光学技术领域，具体地说是一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置及方法。

背景技术

大气压气体放电产生的非平衡态等离子体具有广泛的应用前景，例如在医学领域上用于杀菌消毒、伤口愈合、癌症治疗等；在工业领域上用于材料生长、表面改性、集成电路刻蚀、污水净化等；在军事领域上用于飞行器减阻、航空器隐身等。

近年来，如何在大气环境中产生大面积均匀连续放电一直是低温等离子体源的研究热点。介质阻挡放电能产生大面积均匀放电，但放电不稳定，很容易过渡到不均匀的丝状放电。与之相比，喷枪能够产生一定尺度的稳定均匀放电。例如，微空心阴极结构的喷枪（Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 241501）在直流激励下可产生大气压均匀等离子体羽，并且工作模式为连续放电，但是该喷枪所产生的等离子体羽直径较小（约1毫米），不利于工业中大面积材料处理；以氩气为工作气体，由空心针电极和板电极组成的等离子体喷枪（Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 144107和公开号为103442507A的发明专利）在直流激励下可产生较大面积的均匀放电，但是该放电是脉冲形式的，其与连续放电相比时间占空比较低，导致化学反应效率低。因此，在大气环境中产生大面积均匀连续放电的等离子体显得尤为重要。

等离子体光子晶体是等离子体（作为一种介电材料）周期性排列而成的一种新型可调光子晶体。通过调节等离子体光子晶体的不同时空参数，改变其能带位置和宽度，使频率落入该带隙的光禁止传播，实现对光频率的选择和光传播的控制。因此等离子体光子晶体在可调滤波器、等离子体天线、光开关以及等离子体隐身等众多电磁波控制领域具有广泛的应用前景。现有技术中，在同轴介质阻挡装置产生的微放电基础上利用第三电极产生的等离子体柱（Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 241505），构成等离子体光子晶体，但这种装置结构比较复杂，不便于对光子晶体参数进行调控。利用介质阻挡放电中的自组织斑图（公开号为CN105319611A的发明专利）来产生的等离子体光子晶体，其形成的等离子体是脉冲形式的，因此其光子带隙是随时间变化的，不易精确调控电磁波的传播。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置，在该装置中通入不同的工作气体，就可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体，实现了装置的功能多样化。

本发明的目的之二就是提供一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的方法，该方法利用不同的工作气体，就能产生大气压均匀连续放电或等离子体光子晶体。

本发明的目的之一是这样实现的：一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；

所述放电机构包括若干并排等间距设置的空心针电极、电介质块和液体电极；所述空心针电极竖直插接在所述电介质块内，所述空心针电极的下端为放电端；所述液体电极位于所述空心针电极的下方，且所述液体电极的水平面与所述空心针电极的放电端相对设置；

所述供气机构包括电介质管、供气管路和气瓶；所述电介质管竖直放置，其上端通过所述供气管路与所述气瓶相接，其下端由所述电介质块所封堵；所述空心针电极的上端穿过所述电介质块伸入所述电介质管内；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述供电机构包括若干与所述空心针电极数量相同且一一对应的高压直流电源，每一所述高压直流电源的高压输出端均通过一个镇流电阻与对应的所述空心针电极电连接，所述高压直流电源的接地电极与所述液体电极电连接；

所述空心针电极的放电端和所述液体电极水平面均处于大气环境中，在所述高压直流电源接通使所述空心针电极带电后，仅利用大气环境中的空气为工作气体，就可在所述空心针电极的放电端与所述液体电极的水平面之间产生均匀连续放电；在所述高压直流电源接通使所述空心针电极带电、并且在通过所述供气机构向所述空心针电极通入惰性气体时，在所述空心针电极的放电端与所述液体电极的水平面之间可产生周期性排列的等离子体光子晶体。

优选的，所述空心针电极为钨、铜或铁等材质的空心针电极；所述空心针电极的放电端端面可以为平面，也可以是具有一定曲率的锥面。相邻两个所述空心针电极之间的距离为1-20 mm，每个空心针电极的内径为0.5-2 mm。

优选的，所有空心针电极的放电端端面在竖直方向上的投影均落入所述液体电极的水平面内。

优选的，所述液体电极是通过在敞口的容器内盛放水或电解质溶液而形成。

优选的，所述敞口的容器放置在一个绝缘桌面上；在所述绝缘桌面上设置有纵向导轨，在所述纵向导轨上接有可定位的滑动支架，所述电介质管固定在所述滑动支架上，并可随所述滑动支架在所述纵向导轨上上下移动。

优选的，所述镇流电阻的阻值为50 kΩ-1 MΩ。

优选的，所述电介质块的材料可以是橡胶或聚四氟乙烯等绝缘材料，所述电介质管的材料可以是玻璃或石英等。

本发明所提供的装置中，空心针电极和液体电极均处于大气环境中，每个空心针电极连接相应的高压直流电源的高压输出端，液体电极接地，当供气机构中的气瓶未向空心针电极通入惰性气体，仅利用大气环境中的空气作为工作气体时，就可在空心针电极放电端与液体电极水平面之间产生分立的辉光放电正柱区，调节空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离到一定值，可使得分立的辉光放电正柱区叠加，从而在两电极之间产生均匀的连续放电。由大气压均匀连续放电产生的低温等离子体脱离了对真空装置的依赖，从而可降低生产成本，易于实现大规模工业化应用，利用环境空气比利用惰性气体产生的大气压均匀连续放电具有更高的经济性。

本发明所提供的装置除了可以利用大气环境中的空气产生均匀连续放电外，还可以利用惰性气体产生等离子体光子晶体。当供气机构中的气瓶通过电介质管向空心针电极通入惰性气体时，在空心针电极的放电端与液体电极的水平面之间可产生周期性排列的等离子体柱，构成等离子体光子晶体；通过调节相邻两个空心针电极的间距，可以改变等离子体光子晶体的能带位置和宽度，进而使频率落入该带隙的光禁止传播，实现对光频率的选择和光传播的控制。本发明所提供的装置结构简单，易于调控等离子体光子晶体的参数，在可调滤波器、等离子体天线、光开关以及等离子体隐身等众多电磁波控制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：一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的方法，包括如下步骤：

a、设置放电机构：将若干空心针电极并排等间距竖直插接在一个电介质块上，所述空心针电极的下端裸露在所述电介质块外且处于大气环境中，所述空心针电极的下端为放电端；在所述空心针电极放电端的下方设置液体电极，液体电极的水平面处于大气环境中，且液体电极的水平面与空心针电极的放电端相对设置；

b、设置供气机构：将其上插接有空心针电极的电介质块固定封堵在一个竖直放置的电介质管的下端口处，空心针电极的上端伸入所述电介质管内；所述电介质管的上端口通过供气管路与盛装有惰性气体的气瓶相连接；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

c、设置供电机构：设置若干与所述空心针电极数量相同且一一对应的高压直流电源，使每一高压直流电源的高压输出端均通过一个镇流电阻与对应的空心针电极电连接，并使高压直流电源的接地电极与液体电极电连接；

d、打开所有高压直流电源的开关，同步增加所有高压直流电源的输出电压，使得每个空心针电极具有相同的电压值；

e、关闭供气管路上的气阀，仅利用大气环境中的空气，在空心针电极的放电端与液体电极的水平面之间即可产生放电现象，调节空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离，可在空心针电极放电端与液体电极水平面之间产生大面积均匀连续放电；

f、打开供气管路上的气阀，由气瓶通过供气管路和电介质管向空心针电极内通入惰性气体，即可在空心针电极的放电端与液体电极的水平面之间产生周期性排列的、稳定连续的等离子体光子晶体。

步骤a所设置的放电机构中，电介质块的材料可以是橡胶或聚四氟乙烯等绝缘材料，液体电极是通过在敞口的容器内盛放水或电解质溶液而形成；相邻两个所述空心针电极之间的距离为1-20 mm，每个空心针电极的内径为0.5-2 mm，所述空心针电极的放电端端面可以是平面，也可以是具有一定曲率的锥面。

步骤a中在设置放电机构时，可以使敞口的容器放置在一个绝缘桌面上；在所述绝缘桌面上设置纵向导轨，在所述纵向导轨上设置可定位的滑动支架，将电介质管固定在所述滑动支架上，调节所述电介质管随所述滑动支架在纵向导轨上上下移动，可实现调节空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离。

步骤b所设置的供气机构中，电介质管的材料可以是玻璃或石英。

步骤e中在增加所述空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离过程中，首先可产生若干分立的辉光放电正柱区（与空心针电极一一对应），随着两电极之间距离的增加，每个辉光放电正柱区逐渐膨胀，待两电极之间距离增大到一定值时，所有的辉光放电正柱区都叠加在一起，形成一个大面积的均匀连续放电。

步骤f中向每个所述空心针电极通入惰性气体的流量为0.1-10 L/min，其由所述空心针电极的内径及气体种类所决定。

采用本发明所提供的方法，利用不同的工作气体，在空心针电极的放电端与液体电极的水平面之间既可产生大气压均匀连续放电，又可产生等离子体光子晶体，实现了同一装置的功能多样化。此发明方法简单，降低了生产成本，对于表面处理、材料刻蚀、杀菌消毒、飞行器减阻、航空器隐身等具有深远的意义和广泛的影响。

附图说明

图1是本发明中可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置的结构示意图。

图2是本发明实施例2所产生的均匀连续放电的照片图。

图3是本发明实施例2所产生的均匀连续放电的电压和电流波形示意图。

图4是本发明实施例3所产生的等离子体光子晶体的照片图。

图5是本发明实施例3所产生的等离子体光子晶体的电压和电流波形示意图。

图中：1、空心针电极，2、电介质块，3、液体电极，4、敞口的容器，5、镇流电阻，6、高压直流电源，7、电介质管，8、流量计，9、气压表，10、气阀，11、气瓶，12、供气管路。

具体实施方式

实施例1，一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置。

如图1所示，本发明所提供的装置包括放电机构、供气机构和供电机构。

本实施例中放电机构包括三个空心针电极1、一个电介质块2和一个液体电极3。三个空心针电极1并排等间距竖直穿接在电介质块2上，且空心针电极1的上端和下端均露在电介质块2外面，电介质块2的材料可以是橡胶或聚四氟乙烯等。空心针电极1的材质可以为钨、铜或铁等金属材料；空心针电极1的内径为0.5~2mm，可根据需要具体选择。空心针电极1的下端为放电端，放电端端面可以是平面，也可以是具有一定曲率的锥面；空心针电极1的上端为进气端。液体电极3是通过在敞口的容器4内盛放一定量的水或电解质溶液而形成。液体电极3位于空心针电极1的下方，空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面上下相对，空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间为放电区域，空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面以及两者之间的放电区域均处于大气环境中。液体电极3的水平面（即敞口的容器4内部）可以是圆形或方形等不同的几何形状。液体电极3水平面的面积应该足够大，以使得所有空心针电极1的放电端端面在竖直方向上的投影均落入液体电极3的水平面内。

供气机构包括电介质管7、供气管路12和气瓶11。电介质管7的材料可以是石英或玻璃等。电介质管7竖直放置，其上下端均呈开口状态。电介质管7的上端连接供气管路12的一端，供气管路12的另一端连接气瓶11。在供气管路12上设置有气阀10、气压表9和流量计8。气瓶11内盛装有工作气体，气瓶11内的工作气体可通过供气管路12通入电介质管7内。电介质块2固定在电介质管7的下端，并将电介质管7的下端封堵严实，以使通入电介质管7内的工作气体不会外泄。在电介质块2上所插接的空心针电极1的上端伸入电介质管7内，当电介质管7内被通入工作气体时，工作气体会自空心针电极1的上端进入空心针电极1内，并由空心针电极1的下端排出，进入到空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间的放电区域。通过电介质块2可使电介质管7与空心针电极1严格密封，有效地防止了漏气现象的发生。

气瓶11内盛有惰性气体，惰性气体可以为氦气、氦气、氩气、氪气或疝气等，考虑到成本问题，一般选择价格相对便宜的氦气或氩气。向空心针电极1通入的惰性气体的体积流量可以利用流量计8来调控，一般控制在0.1-10 L/min 之间，具体可根据空心针电极1的内径和工作气体的不同来选择合适的气体流量。

供电机构包括若干与空心针电极1数量相同且一一对应的高压直流电源6，本实施例中高压直流电源6为三个。三个高压直流电源6的高压输出端分别通过一个镇流电阻5与对应的空心针电极1电连接；三个高压直流电源6的接地电极均与液体电极3电连接，具体地，可以使液体电极3通过铜环和高压直流电源6的接地电极电连接，这样可以保证液体电极3更好地接地线。镇流电阻5的阻值为50 kΩ-1 MΩ，以使得放电维持在连续的辉光放电阶段。

敞口的容器4可放置在一个水平的绝缘桌面上；在绝缘桌面上设置纵向导轨，在纵向导轨上设置可定位的滑动支架，将电介质管7竖直固定在滑动支架上。通过改变滑动支架在纵向导轨上的高低位置，即可调节空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间的距离。

打开三台高压直流电源6，并使三个空心针电极1带有相同的电压，关闭气阀10，空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间的空气被击穿即可产生大气压均匀连续放电，即仅利用大气环境中的空气，就可在空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间产生均匀连续放电。当打开气阀10，由气瓶11向空心针电极1提供惰性气体时，惰性气体自空心针电极1的下端喷出，在空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间可产生三个周期性排列的等离子体柱，即构成等离子体光子晶体。

实施例2，一种产生均匀连续放电的方法。

本实施例中产生均匀连续放电的方法所用到的装置如实施例1所述。

首先按照图1所示连接各部件。本实施例中所用的电介质管7的长度为10 cm，内半径为1 cm。在电介质块2上所插接的三个空心针电极1的内径均为0.5 mm，相邻两个空心针电极1之间的间距为5 mm。空心针电极1的上端和下端在电介质块2外均露出2 cm。敞口的容器4内盛装的液体是自来水，敞口的容器4是内半径为4 cm的烧杯，液体电极3的水平面为圆形。电介质块2的材料为橡胶，电介质管7的材料为玻璃。三个高压直流电源6为正极性的直流电源，电压为0~15 kV，三个镇流电阻5均为100 kΩ。

之后同时打开三台高压直流电源6开关，关闭气阀10，调节高压直流电源6的输出电压到6 kV时，在大气环境中，空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间会产生放电现象。调节空心针电极1放电端与液体电极3水平面之间的距离，当两电极之间的距离由小到大增加的过程中，首先可看到三个分立的辉光放电正柱区，接着相邻两个辉光放电正柱区逐渐靠近，当两电极之间的距离增大至12mm时，三个辉光放电正柱区都叠加在一起，即在空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间产生了大面积的大气压均匀连续放电，利用照相机对产生的放电进行了拍摄，如图2所示。若继续增加两电极之间的距离，可产生长度、面积和体积都明显增加的等离子体羽。如果需要采用放电等离子体对材料进行处理时，则可将待处理的材料放入放电区域即可。

由上可知，在向空心针电极1未通入惰性气体时，仅利用大气环境中的空气，就可以在空心针电极1的放电端与液体电极3的水平面之间产生大面积的均匀放电。由于放电过程需要比较高的击穿电压，因此所产生的等离子体羽电子温度和气体温度均比较高，而液体电极3正好可以对等离子体羽和气体进行降温。

此外，还利用示波器对本实施例中的空心针电极1和液体电极3之间的电压和电流波形进行了监测和记录，如图3所示。本实施例中的两电极之间的电压为恒定的，约为2.1kV，两电极之间的电流也是恒定且连续的，约为12 mA。与介质阻挡放电装置产生的脉冲放电相比，本发明产生的均匀等离子体羽是时间恒定的连续放电，时间占空比高，化学反应效率高。

实施例3，一种产生等离子体光子晶体的方法。

本实施例是在实施例2的基础上进行的。本实施例中气瓶11中盛放的是氩气，打开气阀10，使气瓶11中的氩气通过供气管路12、电介质管7进入空心针电极1，并由空心针电极1的下端喷出。在空心针电极1的放电端和液体电极3的水平面之间可产生等离子体光子晶体。通入电介质管7的氩气流量由流量计8控制在4 L/min。

本实施例利用氩气产生的等离子体光子晶体的放电照片如图4所示。可以看出，在空心针电极1的放电端和液体电极3的水平面之间可产生三个周期性排列的等离子体柱，构成等离子体光子晶体，其可以禁止落入带隙的光向前传播，从而控制了光的传播。

图5是本实施例中的空心针电极1和液体电极3之间的电压和电流波形示意图。从图5可以看出，两电极之间的电压和电流均是随时间恒定的，大小分别为1.6 kV和66 mA。与实施例2利用大气环境中的空气产生的均匀连续放电相比，本实施例中利用惰性气体产生的等离子体光子晶体具有更低的放电电压和更高的放电电流。可以通过调节相邻两个空心针电极1的间距来改变等离子体光子晶体的带隙结构，进而使频率落入该带隙的光禁止传播，实现对光频率的选择和光传播的控制。

Claims (6)

1.一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；其特征是，

所述放电机构包括若干并排等间距设置的空心针电极、电介质块和液体电极；所述空心针电极竖直插接在所述电介质块内，所述空心针电极的下端为放电端；所述液体电极位于所述空心针电极的下方，且所述液体电极的水平面与所述空心针电极的放电端相对设置；所述液体电极是通过在敞口的容器内盛放水或电解质溶液而形成；

所述供气机构包括电介质管、供气管路和气瓶；所述电介质管竖直放置，其上端通过所述供气管路与所述气瓶相接，其下端由所述电介质块所封堵；所述空心针电极的上端穿过所述电介质块伸入所述电介质管内；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述供电机构包括若干与所述空心针电极数量相同且一一对应的高压直流电源，每一所述高压直流电源的高压输出端均通过一个镇流电阻与对应的所述空心针电极电连接，所述高压直流电源的接地电极与所述液体电极电连接；

所述空心针电极的放电端和所述液体电极水平面均处于大气环境中，在所述高压直流电源接通使所述空心针电极带电后，仅利用大气环境中的空气为工作气体，就可在所述空心针电极的放电端与所述液体电极的水平面之间产生分立的辉光放电正柱区，调节空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离，可使得分立的辉光放电正柱区叠加，从而在两电极之间产生均匀连续放电；在所述高压直流电源接通使所述空心针电极带电、并且在通过所述供气机构向所述空心针电极通入惰性气体时，在所述空心针电极的放电端与所述液体电极的水平面之间可产生周期性排列的等离子体光子晶体；

所述敞口的容器放置在一个绝缘桌面上；在所述绝缘桌面上设置有纵向导轨，在所述纵向导轨上接有可定位的滑动支架，所述电介质管固定在所述滑动支架上，并可随所述滑动支架在所述纵向导轨上上下移动。

2.根据权利要求1所述的可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述空心针电极为钨、铜或铁材质的空心针电极；所述空心针电极的放电端端面为平面或锥面。

3.根据权利要求2所述的可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置，其特征是，所有空心针电极的放电端端面在竖直方向上的投影均落入所述液体电极的水平面内。

4.根据权利要求1所述的可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述镇流电阻的阻值为50 kΩ-1 MΩ。

5.一种可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置放电机构：将若干空心针电极并排等间距竖直插接在一个电介质块上，所述空心针电极的下端裸露在所述电介质块外且处于大气环境中，所述空心针电极的下端为放电端；在所述空心针电极放电端的下方设置液体电极，液体电极的水平面处于大气环境中，且液体电极的水平面与空心针电极的放电端相对设置；所述液体电极是通过在敞口的容器内盛放水或电解质溶液而形成；

所述敞口的容器放置在一个绝缘桌面上；在所述绝缘桌面上设置有纵向导轨，在所述纵向导轨上接有可定位的滑动支架；

b、设置供气机构：将其上插接有空心针电极的电介质块固定封堵在一个竖直放置的电介质管的下端口处，空心针电极的上端伸入所述电介质管内；所述电介质管的上端口通过供气管路与盛装有惰性气体的气瓶相连接；在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述电介质管固定在所述滑动支架上，调节所述电介质管随所述滑动支架在纵向导轨上上下移动，可实现调节空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离；

c、设置供电机构：设置若干与所述空心针电极数量相同且一一对应的高压直流电源，使每一高压直流电源的高压输出端均通过一个镇流电阻与对应的空心针电极电连接，并使高压直流电源的接地电极与液体电极电连接；

d、打开所有高压直流电源的开关，同步增加所有高压直流电源的输出电压，使得每个空心针电极具有相同的电压值；

e、关闭供气管路上的气阀，仅利用大气环境中的空气，在空心针电极的放电端与液体电极的水平面之间即可产生放电现象，调节空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离，可在空心针电极放电端与液体电极水平面之间产生大面积均匀连续放电；

步骤e中在增加所述空心针电极放电端与液体电极水平面之间的距离过程中，首先可产生若干分立的辉光放电正柱区，随着两电极之间距离的增加，每个辉光放电正柱区逐渐膨胀，待两电极之间距离增大到一定值时，所有的辉光放电正柱区都叠加在一起，形成一个大面积的均匀连续放电；

f、打开供气管路上的气阀，由气瓶通过供气管路和电介质管向空心针电极内通入惰性气体，即可在空心针电极的放电端与液体电极的水平面之间产生周期性排列的、稳定连续的等离子体光子晶体。

6.根据权利要求5所述的可产生均匀连续放电或等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤f中向每个空心针电极内通入惰性气体的流量为0.1-10 L/min。