CN106851955A - 一种产生大体积大气压均匀放电的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种产生大体积大气压均匀放电的装置及方法。该装置包括放电机构和供电电路；所述放电机构包括电介质管和平板电极；所述电介质管内注有导电液，所述导电液与所述供电电路的高压输出端电连接，所述平板电极与地线相接。本发明采用所提供的装置可在空气环境中产生大体积大气压均匀放电，脱离对真空装置的依赖，从而可降低生产成本；而且本发明可实现较大气体间隙的放电，大大的扩展了应用范围；另外本发明使用交流电源可实现大体积大气压均匀放电，无需昂贵的纳秒脉冲电源。本发明结构简单，操作方便，成本低廉，适合批量生产，有利于推广工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温气体放电方法，具体地说是一种产生大体积大气压均匀放电的装置及方法。
背景技术
大气压气体放电产生的低温等离子体具有广泛的应用前景，例如工业上的薄膜生长、表面改性、等离子体显示，环境保护中的废气处理、污水处理，以及医疗方面的伤口愈合、杀菌消毒等。大气压下介质阻挡放电产生大面积均匀放电，但很容易过渡到不均匀的丝状放电，其不均匀性及集中的能量密度限制了它在很多工业方面需要较大规模处理的应用。
近年来，如何获得大面积大气压均匀等离子体成为低温等离子体源的研究的难点技术。由两平板电极组成的介质阻挡装置（高电压技术，2011, 7, 1766-1774）在氦气和氖气等惰性气体环境中交流激励下实现大面积均匀放电。当将交流电源换成纳秒脉冲电源（Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 194102）时可在空气环境中实现大面积均匀放电。虽然以上报道可实现大面积均匀放电，但放电间隙较小，通常在几个毫米范围内，这无疑会限制待处理材料的尺度，同时也限制了它的应用范围。当放电间隙拉大，两电极间隙中的气体放电就会由均匀放电过渡到不均匀的丝状放电（Plasma Sources Sci. Technol. 2012, 21,035004）。公开号CN103269556A的发明专利公开了一种设置有多个凸起形微电极结构可实现大面积大气等离子体均匀放电，但凸起形微电极的放电表面需要用微弧氧化技术或等离子体喷涂技术覆盖一层绝缘介质层，工艺复杂，且放电间隙较小。与之相比，一种针-板介质阻挡结构装置（公开号CN103245655A）能够在空气等混合气体中产生一定尺度的稳定均匀放电，但该装置采用纳秒脉冲电源激励不适用于工业应用。公开号CN103442507A的发明专利公开了一种针-板结构，针在一端闭口的介质管内且在直流激励下实现大体积均匀放电，但该装置的介质管是有开口的，需要工作气体流动。此外，一种棒-板结构且棒在一个圆底介质管内的装置（Plasma Sci. Technol. 2015, 17, 228）在空气环境中交流激励下产生放电等离子体处理工业废水，但该装置的棒电极直径太大（约2厘米）使得放电容易过渡到不均匀的丝状放电，且放电间隙较小。因此，探索出一种在大气环境中产生大体积均匀放电形成等离子体的技术显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种产生大体积大气压均匀放电的装置，以解决现有介质阻挡放电装置放电不均匀、放电间隙较小以及工艺条件复杂不适宜工业应用的问题。
本发明的目的之二就是提供一种产生大体积大气压均匀放电的方法，以解决现有介质阻挡放电方法无法在大气环境中产生大体积均匀放电以及放电间隙较小的问题。
本发明的目的之一是这样实现的：
一种产生大体积大气压均匀放电的装置，包括放电机构和供电电路；
所述放电机构包括电介质管和平板电极，所述电介质管的上端敞口、下端封闭且呈半球形，所述电介质管内注有导电液，所述导电液与所述供电电路电连接，所述电介质管的半球形端部为放电端且与所述平板电极的板面相对设置，所述平板电极与地线相连接；所述电介质管与所述平板电极均设置于开放空间内。
所述电介质管由绝缘材料制作成型，所述绝缘材料为石英、普通玻璃、云母或者聚四氟，所述电介质管的内径为0.2-2mm；所述导电液为自来水或电解质溶液。优选电介质管的内径为1mm，优选导电液为自来水。
所述平板电极为钨、铜或铁材质的平板状金属或为待处理材料，所述平板电极板面的平面尺寸大于所述电介质管的半球形端部的外径。所述平板电极的板面可为圆形或方形，优选平板电极板面的平面尺寸远大于所述电介质管的半球形端部的外径。所述待处理材料可为金属板或自来水等液体材料。
所述平板电极放置在一个绝缘桌面上且平板电极的板面向上；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。
所述供电电路输出交流电，所述交流电的峰值电压范围为10kV-30kV，所述交流电的输出频率为10Hz-10KHz；所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间形成的放电间隙为5-20mm；优选所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间形成的放电间隙为5-16mm。
本发明的目的之二是这样实现的：
本发明提供了利用上述放电装置产生大体积大气压均匀放电的方法，其步骤如下：
a、在开放环境中设置一上端敞口、下端封闭且呈半球形的电介质管，在所述电介质管内注入导电液，电介质管包围所述导电液形成介质层，所述导电液与供电电路电连接，电介质管的半球形端部为放电端；
b、在开放环境中设置平板电极，将所述平板电极的板面与所述电介质管的半球形端部相对设置；
c、将平板电极接地；
d、打开所述供电电路的开关，调节装置的各项参数，利用大气环境中的空气为工作气体，使电介质管的半球形端部与平板电极的板面之间产生大体积均匀放电。
本发明的放电方法具体还包括以下步骤：
通过调节所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间的距离、调节所述供电电路的输出电压和输出频率，使电介质管的半球形端部与平板电极的板面之间产生大体积均匀放电；
通过示波器、高速照相机对所产生的大体积均匀放电进行监测和记录；
将供电电路的输出电压降至0后，断开交流电源的开关，放电结束。
所述供电电路输出交流电，所述交流电的峰值电压范围为10kV-30kV，所述交流电的输出频率为10Hz-10KHz；所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间形成的放电间隙为5-20mm；优选所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间形成的放电间隙为5-16mm。
所述平板电极放置在一个绝缘桌面上且平板电极的板面向上；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上下移动并定位的滑动支架，所述电介质管固定在所述滑动支架上，调节所述滑动支架在所述纵向导轨上的位置，可实现调节所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间的距离。
所述电介质管由绝缘材料制作成型，所述绝缘材料为石英、普通玻璃、云母或者聚四氟，所述电介质管的内径为0.2-2mm；所述导电液为自来水或电解质溶液；所述平板电极为钨、铜或铁材质的平板状金属或为待处理材料，所述平板电极的板面平面尺寸大于所述电介质管的半球形端部的外径。
本发明具有以下优点：
（a）本发明产生大体积均匀放电的装置结构简单、操作简便，成本低廉，容易实现大体积均匀放电；若装置出现部分结构损坏可随时更换部件，不必拆卸整个装置；
（b）本发明可在大气压条件下实现，不依赖于昂贵的真空室装置，大大降低使用成本；
（c）本发明可在开放的空气条件下实现，不必使用惰性气体作为工作气体，扩大了应用范围；利用本发明放电装置在空气环境和在惰性气体环境下能达到相同的放电效果；
（d）本发明可使用交流电源实现，无需昂贵的纳秒脉冲电源；
（e）本发明使用导电液作为电极，无需昂贵的金属作为电极；
（f）本发明可实现较大气体间隙的大体积均匀介质阻挡放电，最大放电间隙可达20mm，不限制于小气体间隙的放电；
（g）本发明产生的大体积均匀放电应用前景广泛，适宜工业推广，可应用于材料蚀刻、表面处理、污水处理、杀菌消毒等领域。
附图说明
图1是本发明中产生大体积大气压均匀放电装置的结构示意图。
图2是实施例2产生的大体积大气压均匀放电的正视图。
图3是实施例2产生的大体积大气压均匀放电的电压、电流与光信号波形图。
图4是图3中产生的大体积大气压均匀放电在电压正半周期的时间演化图。
图5是图3中产生的大体积大气压均匀放电在电压负半周期的时间演化图。
图中：1、导电液，2、电介质管，3、平板电极，4、交流电源，5、导线。
具体实施方式
实施例1，一种产生大体积大气压均匀放电的装置。
如图1所示，本发明所提供的装置包括放电机构和供电电路。放电机构可在空气环境中产生大体积大气压均匀放电，供电电路为一交流电源4，用于为放电机构提供所需放电电压。
本实施例中放电机构包括一个电介质管2和一个平板电极3。电介质管2内注有导电液1，电介质管2的上端敞口，下端封闭且呈半球形，其材料可以是石英、普通玻璃、云母或者聚四氟等，电介质管2的内径为1mm，外径为3mm。导电液1为自来水，电介质管2的半球形端部为放电端。导电液1与交流电源4电连接，平板电极3与地线相连接，平板电极3的材质可以为钨、铜或铁等板状金属或为液态水等待处理材料。电介质管2的半球形端部的底面与平板电极3的板面相对，电介质管2作为介质阻挡层，电介质管的放电端与平板电极3的板面之间形成了放电区域。
电介质管2和平板电极3均设置在开放环境中，将平板电极3放置在一个绝缘桌面上，且平板电极3的板面向上；在绝缘桌面上设置有纵向导轨，在纵向导轨上设置可定位的滑动支架，将电介质管2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，即可调节电介质管2的放电端与平板电极3的板面之间的相对距离。
实施例2，一种产生大体积大气压均匀放电的方法。
本实施例利用实施例1所述的装置来产生大体积大气压均匀放电。具体操作步骤如下：
首先按照图1所示设置并连接各部件，之后调节电介质管2的放电端与平板电极3的板面之间的距离为16mm，最后打开交流电源4开关，调节交流电源4的输出峰值电压到22 kV，同时调节交流电源4的输出频率到500 Hz，在大气环境中，电介质管2的放电端与平板电极3的板面之间会产生大体积均匀放电现象。利用照相机对产生的放电进行了拍摄，如图2所示，放电发光呈明亮的紫色，并且具有较好的均匀性。将电介质管2的放电端与平板电极3的板面之间的相对距离调至20mm时，仍可观察到明显的大体积均匀放电现象。若需要采用放电等离子体对材料进行处理时，可将待处理的材料放入放电区域或将待处理材料作为平板电极进行直接处理。
图3是在外加电压峰值为22 kV、输出频率为500 Hz、气体间距为16mm时产生大体积大气压均匀放电的电压、电流与光信号波形图。从图3可以看出，电流波形是在正弦的位移电流上叠加了若干放电电流脉冲。当外加电压刚达到击穿阈值时，电压的正半个周期出现一个放电电流脉冲，对应的光信号脉冲宽度约为500µs；电压的负半个周期出现多个放电电流脉冲，总的持续时间约为400µs。
图4为大体积大气压均匀放电在电压正半周期出现一个放电电流脉冲的不同时刻拍摄（100ns的曝光时间）快照的放电演化图。在图4的1080ns处拍摄的快照揭示该电离过程局部化在电介质管2的半球形端部附近，并且微放电丝并不是在电介质管2的半球形端部附近同一位置产生而是随机出现的。放电不会在同一位置始终形成单独的微放电丝，这样就不会使得放电不均匀。微放电丝从电介质管2的半球形端部传播到平板电极3的板面上，并且随时间延迟，随机出现的微放电丝越来越多，微放电丝的密度增大。多周期时间叠加就会形成均匀的放电现象，正如图2所展示的。图5是产生大体积大气压均匀放电在电压负半周期的放电演化图。从图5可以看出，放电仅仅局部化出现在电介质管2的半球形端部附近。
本发明产生大体积大气压均匀放电，电子在电场作用下向前移动，且积累在电介质管2上形成壁电荷。壁电荷会产生种子电子引发电子雪崩，电子雪崩中的电子与空间正离子中和形成电中性的等离子体流柱。一次次的电子雪崩接力，使得流柱头（正离子）会从电介质管2向着平板电极3快速随机的传播。此外，壁电荷的电场和外加电场方向相反，使得总电场不断减小，因此放电很快熄灭。随后壁电荷重新积累，直到下一次放电随机打出种子电子。
本发明每次放电结束后壁电荷重新积累，随后放电又随机产生，如此可在多周期的时间内形成均匀的放电现象。不同于板-板介质阻挡结构装置与针-板介质阻挡结构装置在空气放电中空间电荷容易形成记忆效应，使得每次放电容易在同一位置产生，从而产生不均匀的丝状放电。本发明更容易在大气压空气环境中产生大体积均匀放电。
Claims (10)
1.一种产生大体积大气压均匀放电的装置，其特征是，包括放电机构和供电电路；
所述放电机构包括电介质管和平板电极，所述电介质管的上端敞口、下端封闭且呈半球形，所述电介质管内注有导电液，所述导电液与所述供电电路电连接，所述电介质管的半球形端部为放电端且与所述平板电极的板面相对设置，所述平板电极与地线相连接；所述电介质管与所述平板电极均设置于开放空间内。
2.根据权利要求1所述的产生大体积大气压均匀放电的装置，其特征是，所述电介质管由绝缘材料制作成型，所述绝缘材料为石英、普通玻璃、云母或者聚四氟，所述电介质管的内径为0.2-2mm；所述导电液为自来水或电解质溶液。
3.根据权利要求1所述的产生大体积大气压均匀放电的装置，其特征是，所述平板电极为钨、铜或铁材质的平板状金属或为待处理材料，所述平板电极板面的平面尺寸大于所述电介质管的半球形端部的外径。
4.根据权利要求1所述的产生大体积大气压均匀放电的装置，其特征是，所述平板电极放置在一个绝缘桌面上且平板电极的板面向上；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。
5.根据权利要求1所述的产生大体积大气压均匀放电的装置，其特征是，所述供电电路输出交流电，所述交流电的峰值电压范围为10kV-30kV，所述交流电的输出频率为10Hz-10KHz；所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间形成的放电间隙为5-20mm。
6.一种产生大体积大气压均匀放电的方法，其特征是，包括如下步骤：
a、在开放环境中设置一上端敞口、下端封闭且呈半球形的电介质管，在所述电介质管内注入导电液，电介质管包围所述导电液形成介质层，所述导电液与供电电路电连接，电介质管的半球形端部为放电端；
b、在开放环境中设置平板电极，将所述平板电极的板面与所述电介质管的半球形端部相对设置；
c、将平板电极接地；
d、打开所述供电电路的开关，调节装置的各项参数，利用大气环境中的空气为工作气体，使电介质管的半球形端部与平板电极的板面之间产生大体积均匀放电。
7.根据权利要求6所述的产生大体积大气压均匀放电的方法，其特征是，具体还包括以下步骤：
通过调节所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间的距离、调节所述供电电路的输出电压和输出频率，使电介质管的半球形端部与平板电极的板面之间产生大体积均匀放电；
通过示波器、高速照相机对所产生的大体积均匀放电进行监测和记录。
8.根据权利要求6或7所述的产生大体积大气压均匀放电的方法，其特征是，所述供电电路输出交流电，所述交流电的峰值电压范围为10kV-30kV，所述交流电的输出频率为10Hz-10KHz；所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间形成的放电间隙为5-20mm。
9.根据权利要求6或7所述的产生大体积大气压均匀放电的方法，其特征是，所述平板电极放置在一个绝缘桌面上且平板电极的板面向上；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上下移动并定位的滑动支架，所述电介质管固定在所述滑动支架上，调节所述滑动支架在所述纵向导轨上的位置，可实现调节所述电介质管的半球形端部与所述平板电极的板面之间的距离。
10.根据权利要求6所述的产生大体积大气压均匀放电的方法，其特征是，所述电介质管由绝缘材料制作成型，所述绝缘材料为石英、普通玻璃、云母或者聚四氟，所述电介质管的内径为0.2-2mm；所述导电液为自来水或电解质溶液；所述平板电极为钨、铜或铁材质的平板状金属或为待处理材料，所述平板电极的板面平面尺寸大于所述电介质管的半球形端部的外径。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170613 |
|
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