CN106304589B - 一种增长等离子体羽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能增长等离子体羽的装置，包括等离子体羽产生机构和等离子体羽增长机构；等离子体羽增长机构是由负直流电源驱动的偏置电极，偏置电极与所述等离子体羽产生机构的出气口正对设置。本发明还公开了一种增长等离子体羽长度的方法，该方法是在等离子体羽产生机构的出气口的正对面设置等离子体羽增长机构，启动等离子体羽产生机构产生等离子体羽，然后逐渐增大负直流电源输出电压，使等离子体羽的长度随偏置电压增大而增长，直至与偏置电极相连接。本发明利用负直流偏置电压的方法，使在喷枪出气口处产生的等离子体羽长度增长。该方法为处理大尺寸的工件提供了可能性，便于推广应用。

Description

一种增长等离子体羽的装置及方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，具体的说是一种增长等离子体羽长度的装置及方法。

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，可用于工业、医学、环境、军事等领域，如材料生长、表面改性、杀菌消毒、伤口愈合、环境污染物的处理、飞行器减阻、航空器隐身等。因此,大气压等离子体技术是一个关系民生医疗、国家能源、环境、国防安全的重要技术。虽然大气压等离子体应用虽如此广泛,但目前其在实际应用上还存在明显的局限性，这是由于许多应用要求等离子体具有以下特点：1、在大气环境中产生；2、气体温度较低；3、均匀性较好；4、长度较大。

现有的能够在大气环境中产生等离子体的装置，或可以得到气体温度较低的等离子体羽，或可以得到均匀性较好的等离子体羽，但都不能得到尺寸较长的等离子体羽，大大限制了它的应用范围。因此，如何在大气环境中产生长度更长的低温、均匀等离子体羽就显得尤为重要。

发明内容

本发明有两个目的，目的之一是提供一种能增长等离子体羽的装置，得到尺寸较大的等离子体羽，以解决现有装置所产生的等离子体羽尺寸小、应用范围受到限制的问题；目的之二是提供一种增长等离子体羽长度的方法，以解决采用现有方法在大气环境中产生的等离子体羽长度较短，应用范围受限制的问题。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种能增长等离子体羽的装置，包括产生大气环境中等离子体羽的等离子体羽产生机构和等离子体羽增长机构；

所述等离子体羽增长机构是由负直流电源驱动的偏置电极；所述负直流电源的一端接地，另一端接偏置电极，在所述负直流电源与所述偏置电极的连接电路上串接有镇流电阻；所述偏置电极的极板板面与所述等离子体羽产生机构的出气口正对设置，同时所述偏置电极的极板板面能覆盖住且面积略大于所述出气口。

所述的能增长等离子体羽的装置，还包括用于调节等离子体羽产生机构的出气口与偏置电极的极板板面间距的距离调节机构，所述距离调节机构由平直导轨及设置于平直导轨上的可定位滑动支架构成，所述偏置电极固定于所述可定位滑动支架上。

所述的能增长等离子体羽的装置，所述偏置电极是板面为规则或不规则形状的平板状。

所述的能增长等离子体羽的装置，所述等离子体羽产生机构是交流电源驱动的同轴介质阻挡放电喷枪或交流电源驱动的单电极喷枪。

具体的，所述能增长等离子体羽的装置，其特征是，所述同轴介质阻挡放电喷枪由针电极、同轴设置的内介质管和外介质管及封装于内介质管和外介质管之间的液体电极构成；所述内介质管一端为出气口，所述针电极的末端与所述内介质管的出气口平齐，所述内介质管的另一端为连接于供气管路末端的进气口，供气管路的始端连接气泵或气瓶；在所述供气管路上，依次串接有气阀、气压表和流量计；所述液体电极与交流电源连接，所述针电极的始端与交流电源的接地端连接。

具体的，所述能增长等离子体羽的装置，其特征是，所述单电极喷枪由单电极和狭缝型气道构成；所述狭缝型气道一端为进气口，另一端为出气口，进气口连接供气管路的末端，供气管路的始端连接气泵或气瓶，在所述供气管路上，依次串接有气阀、气压表和流量计；出气口处设置有所述单电极，所述单电极位于所述出气口沿长边方向的中线上并与所述狭缝型气道的轴心线垂直；所述单电极与交流电源连接。

所述的能增长等离子体羽的装置，所述等离子体羽产生机构的出气口与偏置电极的极板板面间距的距离为所述等离子体羽产生机构所产生的等离子体羽原长的3-5倍；所述镇流电阻的阻值为50kΩ~50MΩ，所述负直流电源的电压为0~-15kV。

本发明的第二个目的是这样实现的

一种增长等离子体羽的方法，包括以下步骤：

a、在能产生大气环境中等离子体羽的等离子体羽产生机构的出气口的正对面，设置等离子体羽增长机构；所述等离子体羽增长机构是由负直流电源驱动的偏置电极；所述负直流电源的一端接地，另一端接偏置电极，在所述负直流电源与所述偏置电极的连接电路上串接有镇流电阻；所述偏置电极与所述等离子体羽产生机构的出气口正对设置，且所述偏置电极的极板板面能覆盖住且面积略大于所述出气口；

b、启动所述等离子体羽产生机构，使出气口处产生大气环境中的等离子体羽；

c、调整所述出气口与所述偏置电极的极板板面的间距，打开负直流电源的开关，逐渐增大负直流电源输出于偏置电极的偏置电压，使所述等离子体羽的长度随偏置电压增大而增长，直至与偏置电极相连接。

所述增长等离子体羽的方法，所述能产生大气环境中等离子体羽的等离子体羽产生机构是交流电源驱动的同轴介质阻挡放电喷枪或交流电源驱动的单电极喷枪。

所述增长等离子体羽的方法，所述等离子体羽产生机构的出气口与偏置电极的极板板面间距的距离为所述等离子体羽产生机构所产生的等离子体羽原长的3-5倍；所述负直流电源的输出电压为0kV~-15kV，所述镇流电阻的阻值为50kΩ~50MΩ。

本发明提出利用在喷枪出气口区域设置偏压电极的方法，使在喷枪出气口处产生的等离子体羽长度增长。该方法为处理大尺寸的工件提供了可能性，便于推广应用，对于大气压等离子体的应用具有重要价值。

附图说明

图1是利用同轴介质阻挡放电喷枪和偏置电极增长等离子体羽长度的放电装置结构示意图。

图2是利用单电极喷枪和偏置电极增长等离子体羽长度的放电装置结构示意图。

图1-2中：1、外介质管，2、液体电极，3、内介质管，4、偏置电极，5、镇流电阻，6、负直流偏置电源，7、气瓶，8、气阀，9、气压表，10、流量计，11、针电极，12、交流电源，13、狭缝型气道，14、单电极。

图3是图1装置中偏置电极所加直流电压分别为0kV和-15kV的放电照片。

图4是图2装置中偏置电极所加直流电压分别为0kV和-15kV的放电照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例是利用同轴介质阻挡放电喷枪和偏压电极增长等离子体羽长度的放电装置，其结构如图1所示，该装置包括等离子体羽产生机构和等离子体羽增长机构。

等离子体羽产生机构是交流电源驱动的同轴介质阻挡放电喷枪，同轴介质阻挡放电喷枪由针电极11、同轴设置的内介质管3和外介质管1及封装于内介质管3和外介质管1之间的液体电极2构成；外介质管1和内介质管3由玻璃、石英或聚四氟乙烯等绝缘材料制成，内介质管3一端为出气口，针电极11从内介质3和外介质管1的封口端穿入，并与内介质3和外介质管1同轴放置。针电极11可以由钨、铜、铁或镍等任何具有良好导电率的金属丝制成，针电极11的直径一般控制在0.1mm~1.0mm之间，其末端端面可以为平面,也可以是具有一定曲率的锥面。针电极11的始端接地，末端与内介质管3的出气口平齐，内介质管3的另一端（即进气口）连接于供气管路末端，供气管路的始端连接气瓶7，通过气瓶7提供的工作气体,工作气体可以是空气、氩气或氦气中的任意一种或是空气与惰性气体（一般为氩气）按任意比例组成的混合气体。在供气管路上，依次串接有气阀8、气压表9和流量计10，由内介质管3喷出的气体流量的大小,可通过气阀8进行调节；液体电极2与交流电源12连接，交流电源12的电压范围在0kV~25kV之间，频率范围在50Hz~14MHz之间。该等离子体羽产生机构可在空气环境中产生长度较小的等离子体羽。

等离子体羽增长机构是负直流电源驱动的偏置电极，负直流电源6的一端接地，另一端接偏置电极4，负直流电源6的偏置电压范围在0kV~-15kV之间，在负直流电源6与偏置电极4的连接电路上串接有镇流电阻5，镇流电阻5的阻值范围为50kΩ~50MΩ；偏置电极4的极板板面（即正对出气口的一面）的与等离子体羽产生机构的放电端口（即内介质管3的出气口）正对设置，偏置电极4的极板板面面积大于放电端口的面积。等离子体羽增长机构可使等离子体羽长度增长。

等离子体羽产生机构中的内介质管3、外介质管1和等离子体羽增长机构的偏置电极可以根据具体需要增大或者缩小形状。

该装置还有一个距离调节机构，用于调节等离子体羽产生机构的出气口与偏置电极的间距；距离调节机构由水平直线导轨及设置于水平直线导轨上的可定位滑动支架构成，偏置电极固定于可定位滑动支架上，通过改变可定位滑动支架在导轨上的位置,即可调整针电极11的放电端与偏置电极4的极板板面之间的距离。偏置电极4放置在绝缘桌面上。

偏置电极4可以是采用铜或铝等金属材料制作而成的平板电极,平板电极的横截面（即板面）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。平板电极的边缘应具有较小的曲率，以避免出现尖端放电。当平板电极的横截面为方形、三角形或六边形等这种具有尖锐顶角的截面时，应通过设置使平板电极的横截面的顶角呈倒圆角结构。

实施例2

本实施例的方法是利用实施例1中所描述的装置，具体的，其中外介质管1和内介质管3均为玻璃管，外介质管1的内径为18mm，内介质管3的外径为6mm，内介质管3的出气口处直径为2.5mm，针电极11为直径为1mm的钨针电极，偏置电极4是横截面为圆形的铜板，铜板半径为4cm。交流电源12的电压为0kV~25kV，交流电源12的频率为50Hz~14MHz，负直流电源6的电压为0kV~-15kV，电路中的镇流电阻5为500kΩ。该装置采用气瓶7供气，所供工作气体为氩气。

采用上述装置增长等离子体羽长度的方法是：

（1）打开气阀8,调节氩气流量为3L/min；之后打开交流电源12的开关,调节交流电源12的电压峰值为4.5kV，频率为40kHz时将会在内介质管3的出气口处产生长度为1.5cm的等离子体羽。

（2）调节内介质管3的出气口与偏置电极4的极板板面之间的距离为4.5cm，打开负直流电源6的开关,逐渐增大负直流电源6的偏置电压时，在内介质管3的出气口处产生的等离子体羽长度逐渐增长，当负直流电源6的偏置电压为-15kV时，在内介质管3的出气口与偏置电极4的极板板面之间产生的等离子体羽长度达到4.5cm,将内介质管3的出气口与偏置电极4的极板板面连起来。

（3）待对大气压均匀放电监测记录完毕,将直流电源6的偏置电压降至0kV时,断开负直流电源6的开关,再将交流电源12的输出电压降至0kV时,断开交流电源12的开关,再关闭供气管路上的气阀8,则整个放电过程结束。

打开高速相机、示波器和光谱仪等仪器对放电参数进行监测和记录，本实施例中采用佳能EOS7D拍摄内介质管3的出气口与偏置电极4之间所产生的等离子体羽的放电照片,拍摄时曝光0.1s。调节负直流电源6的偏置电压分别为0kV和-15kV时,所产生的大气压均匀放电情况依次对应于图3中（a）和(b)两种图示情况。

通过图3中两幅放电图片的对比可见,随着负直流电源6偏置电压的增大，等离子体羽的长度增长，增长后的等离子体羽为原长的3倍。

实施例3

本实施例是利用单电极喷枪和偏压电极增长等离子体羽长度的放电装置，如图2所示，该装置包括等离子体羽产生机构和等离子体羽增长机构。

等离子体羽产生机构是交流电源驱动的单电极喷枪，单电极喷枪由单电极14和狭缝型气道13构成，狭缝型气道13一端为进气口，另一端为出气口，进气口连接供气管路的末端，供气管路的始端连接气瓶7，通过气瓶7提供工作气体（工作气体可以是空气、氩气或氦气中的一种，或是空气与某种惰性气体按任意比例组成的混合气体）,在供气管路上，依次串接有气阀8、气压表9和流量计10；单电极14可以由钨、铜、铁或镍等任何具有良好导电率的金属丝形成，单电极14的直径一般控制在0.1mm~1.0mm之间，单电极14设置于狭缝型气道13的出气口处，单电极14位于出气口沿长边方向的中线上并与狭缝型气道13的轴心线垂直；单电极14与交流电源12连接，交流电源6的电压范围在0kV~25kV之间，交流电源6的频率范围在50Hz~14MHz之间。等离子体羽产生机构可在空气环境中产生长度较小的等离子体羽。

所述等离子体羽增长机构是负直流电源驱动的偏置电极。负直流电源6的一端接地，另一端接偏置电极4，负直流电源6的偏置电压范围在0kV~-15kV之间，在负直流电源6与偏置电极4的连接电路上串接有镇流电阻5，镇流电阻5的阻值范围为50kΩ~50MΩ；偏置电极4的极板板面的与等离子体羽产生机构的放电端口（即狭缝型气道13的出气口）正对设置，偏置电极4的极板板面面积大于放电端口的面积。等离子体羽增长机构可使等离子体羽长度增长。

本实施例中，在绝缘桌面上设置有水平放置的直线导轨，在导轨上接有可定位的滑动支架，偏置电极4固定在可定位的滑动支架上，使得狭缝型气道13的放电端口正对偏置电极4。通过改变滑动支架在导轨上的左右位置,即可调整狭缝型气道13的放电端口与偏置电极4的极板板面之间的距离。

狭缝型气道13可由绝缘材料制成，绝缘材料可以为玻璃、石英或聚四氟乙烯等，其由两块相对的石英玻璃板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板相对的两边的板面边缘之间，石英玻璃板与玻璃条之间通过粘胶连接，两块石英玻璃板与两条玻璃条即合围成一个狭缝型气道13。狭缝型气道13的横截面的长度一般为2cm~5cm，而狭缝型气道13的横截面的宽度一般为2mm~5mm，狭缝型气道13的长度可以在2cm~20cm之间。狭缝型气道13的左端为进气口，右端为出气口。进气口处的形状可以设置为狭缝型，也可以设置为圆形方形等其它形状，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。

偏置电极4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，其边缘应具有较小的曲率，以避免出现尖端放电，当偏置电极4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，应通过设置使平板电极的横截面的顶角呈倒圆角结构。偏置电极4的长度应大于单电极14的有效长度，即狭缝型气道13横截面的长边的长度。

实施例4

本实施例是利用实施例3中的装置增长等离子体羽长度的方法，本实施例中狭缝型气道13由石英玻璃材料制成，狭缝型气道13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13的长度为10cm。狭缝型气道13的左端为进气口，右端为出气口。单电极14为直径为1mm的钨丝电极，偏置电极4为边长3cm的六边形铜板，六边形的顶角呈倒圆角结构。交流电源12的电压为0kV~25kV，交流电源12的频率为50Hz~14MHz，负直流电源6的偏置电压为0kV~-15kV，电路中的镇流电阻5为500kΩ。采用气瓶7供气，所供气体为氩气。

采用上述装置增长等离子体羽长度的方法是：

（1）打开气阀8,调节氩气流量为6L/min；之后打开交流电源12的开关,调节交流电源12的电压,电压峰值为5kV，频率为30kHz时将会在狭缝型气道的出气口与偏置电极4的极板板面之间产生长度为0.6cm的等离子体羽。

（2）调节狭缝型气道1的出气口与偏置电极4的极板板面之间的距离为3cm。打开负直流电源6的开关,逐渐增大负直流电源6的偏置电压时，在狭缝型气道13的出气口与偏置电极4的极板板面之间产生的等离子体羽长度逐渐增长，当负直流电源6的偏置电压为-15kV时，在狭缝型气道13的出气口与偏置电极4的极板板面之间产生的等离子体羽长度达到3cm,将狭缝型气道13的出气口与偏置电极4的极板板面连起来。

（3）待对大气压均匀放电监测记录完毕,将负直流电源6的偏置电压降至0kV时,断开负直流电源6的开关，再将交流电源12的输出电压降至0kV时,断开交流电源12的开关,再关闭供气管路上的气阀8,则整个放电过程结束。

打开高速相机、示波器和光谱仪等仪器对放电参数进行监测和记录。本实施例中采用佳能EOS7D拍摄狭缝型气道13的出气口与偏置电极4之间所产生的等离子体羽的放电照片,拍摄时曝光0.1s。调节负直流偏置电源5的电压分别为0kV和-15kV时,所产生的大气压均匀放电情况依次对应于图4中（a）和(b)两种图示情况。

通过图4中两幅放电图片的对比可见,随着负直流电源6偏置电压的增大，等离子体羽的长度明显增长，增长后的等离子体羽为原长的5倍。

Claims (2)

1.一种增长等离子体羽的方法，其特征是，包括以下步骤：

a、在能产生大气环境中等离子体羽的等离子体羽产生机构的出气口的正对面，设置等离子体羽增长机构；所述等离子体羽增长机构是由负直流电源驱动的偏置电极；所述负直流电源的一端接地，另一端接偏置电极，在所述负直流电源与所述偏置电极的连接电路上串接有镇流电阻；所述偏置电极与所述等离子体羽产生机构的出气口正对设置，且所述偏置电极的极板板面能覆盖住且面积略大于所述出气口；

b、启动所述等离子体羽产生机构，使出气口处产生大气环境中的等离子体羽；

c、调整所述出气口与所述偏置电极的极板板面的间距，打开负直流电源的开关，逐渐增大负直流电源输出于偏置电极的偏置电压，使所述等离子体羽的长度随偏置电压增大而增长，直至与偏置电极相连接；

所述等离子体羽产生机构的出气口与偏置电极的极板板面间距的距离为所述等离子体羽产生机构所产生的等离子体羽原长的3-5倍；所述负直流电源的输出电压为0kV~-15kV，所述镇流电阻的阻值为50kΩ~50MΩ。

2.根据权利要求1所述增长等离子体羽的方法，其特征是，所述能产生大气环境中等离子体羽的等离子体羽产生机构是交流电源驱动的同轴介质阻挡放电喷枪或交流电源驱动的单电极喷枪。