CN106879155A - 一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置，包括微秒脉冲激励电源、等离子体射流装置和反应气体装置，微秒脉冲激励电源通过连接线内设置的高压线与等离子体射流装置的高压端连接，反应气体装置内的反应气体通过进气管进入微秒脉冲激励电源的进气口，并通过连接线内设置的出气管进入等离子体射流装置中。本发明还提供了一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置的使用方法。本发明的有益效果为：一体化设计，具有放电效率高和装置小型化的优势，方便携带与使用；可输出电压幅值0‑20kV连续可调、频率0‑1.5kHz连续可调、上升沿0.5us、半高宽8us的高压脉冲；在实际应用中，可以应用于表面处理、生物医学应用等领域。

Description

一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及等离子体射流技术领域，具体而言，涉及一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置及其使用方法。
背景技术
大气压低温等离子体含有多种高活性粒子，被广泛应用于材料表面改性、生物医学、环境处理等领域。一体化、便携式的等离子体设备对促进等离子体在众多领域的应用具有重要的推动作用。
现有的等离子体发生装置放电结构受到众多因素的限制：(1)传统的等离子激励电源采用交流或直流电源，发热现象严重，放电效率低；(2)气体放电等离子体工作于强电场环境中，为了保证等离子体发生装置的安全运行，必须配合复杂的绝缘和接地系统，使得等离子体发生装置同时受到绝缘介质材料、尺寸以及形状的约束；(3)现有的等离子体发生装置受限于气体放电的原理和空间活性粒子较短的寿命，尤其是工作于大气压环境下的低温等离子体，放电间隙更窄，活性粒子寿命更短，等离子体发生装置的工作空间和处理物的空间严重受限且放电电压及温度较高。
正是由于这些因素的限制，导致现有的等离子体射流装置与激励电源均是独立结构，电源体积庞大，灵活性差。例如：Yong Cheol Hong et al.“Microplasma jet atatmospheric pressure”Applied Physics Letter 89,221504(2006)中描述了一种交流激励的等离子体射流装置，高压电极直接裸露在外部空间中，对于一些实际应用不安全；EStoffels et al“Plasma needle for in vivo medical treatment:recentdevelopments and perpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006)中描述了一种射频激励的等离子体射流装置，等离子体射流的电极直接暴露于外部空间中，无地电极；Xinpei Lu et al.“Dynamics of an atmospheric pressure plasma generated bysubmicrosecond voltage pulses”J Appl.Phys 100,063302(2006)中描述了一种脉冲直流激励的等离子体笔装置，该装置由双环状电极组成，当施加脉冲直流时最长可以产生5cm的等离子体射流，但当电压脉冲高于10us时，两电极间易发生电弧放电。申请号为200810236697.7的发明专利描述了一种电极呈空心管状的等离子体射流装置，该装置对射流直径要求较为苛刻，当射流直径较大时，很难产生放电，且放电电流大，不可触摸。
综上来看，现有的等离子体发生装置多为固定电极结构，且等离子体发生装置与激励电源相分离，庞大的电源结构和复杂的线路系统使装置的灵活性受限，随着低温等离子体运用范围的拓展，有必要提升装置的灵活性，促进其在工业和科研领域中的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、一体化、方便携带，并且可以应用于众多场合的微秒脉冲等离子体射流一体机装置。
本发明提供了一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置，包括微秒脉冲激励电源、等离子体射流装置和反应气体装置，所述微秒脉冲激励电源通过连接线内设置的高压线与所述等离子体射流装置的高压端连接，所述反应气体装置内的反应气体通过进气管进入所述微秒脉冲激励电源的进气口，并通过所述连接线内设置的出气管进入所述等离子体射流装置中；
其中，
所述微秒脉冲激励电源包括低压模块和高压模块，所述低压模块包括调压器T、整流桥、倍压回路、触发控制电路和吸收保护电路，所述高压模块包括脉冲变压器PT，所述调压器T的原边与所述交流电压连接，所述调压器T的副边与所述整流桥连接，所述整流桥与所述倍压回路连接，所述倍压回路与所述触发控制电路和所述吸收保护电路连接，所述倍压回路与所述脉冲变压器PT的原边连接，所述脉冲变压器PT的副边与所述等离子体射流装置连接；外部输入的交流电压经过所述调压器T调压后作为所述微秒脉冲激励电源的输入电压，该输入电压经过所述整流桥后转换成直流电压；所述倍压回路对该直流电压进行升压充电，得到初始脉冲，并在所述触发控制电路的控制下进行放电，通过所述脉冲变压器PT耦合对所述等离子体射流装置输出高压微秒脉冲；所述触发控制电路控制所述倍压回路中开关IGBT的开通和关断，对所述倍压回路进行隔离；所述吸收保护电路吸收所述开关IGBT在开通和关断过程中产生的过电流和过电压；
所述等离子体射流装置通过距离调节按钮固定在金属支架上，且所述等离子体射流装置的外壳通过所述金属支架接地，所述金属支架固定在处理平台上。
作为本发明进一步的改进，所述倍压回路包括电阻R1、一级电容C1、二级电容C2、升压电感L、充电二极管D1和开关IGBT，所述电阻R1和所述一级电容C1串联，所述一级电容C1、所述升压电感L、所述充电二极管D1和所述二级电容C2串联，所述开关IGBT的栅极与所述触发控制电路连接，所述开关IGBT的集电极与所述充电二极管D1的负极连接，所述开关IGBT的发射极与所述吸收保护电路连接；
所述整流桥转换后的直流电压经过所述电阻R1对所述一级电容C1充电；
所述一级电容C1通过所述升压电感L、所述充电二极管D1、所述脉冲变压器PT的励磁电感和漏感对所述二级电容C2升压充电；
所述开关IGBT开通时，所述二级电容C2由所述开关IGBT、所述脉冲变压器PT的漏感和所述脉冲变压器PT的原边构成的回路放电。
作为本发明进一步的改进，所述一级电容C1由多个电解电容并联组成。
作为本发明进一步的改进，所述触发控制电路包括脉冲发生器、光电转换部分和驱动回路，所述脉冲发生器与所述光电转换部分相连，所述光电转换部分与所述驱动回路相连，所述驱动回路与所述开关IGBT的栅极连接；
所述脉冲发生器产生的脉冲，通过所述光电转换部分把电信号转成光信号再转成电信号，输出到所述驱动回路，产生触发脉冲控制所述开关IGBT的关断和开通。
作为本发明进一步的改进，所述吸收保护电路包括吸收电容C3、吸收电阻R2和二极管D2，所述吸收电容C3和所述吸收电阻R2串联，所述二极管D2的负极与所述吸收电容C3和所述吸收电阻R2之间的节点连接，所述二极管D2的正极与所述充电二极管D1和所述二级电容C2之间的节点连接，所述开关IGBT的发射极与所述吸收电容C3连接。
作为本发明进一步的改进，所述等离子体射流装置包括高压电极、地电极和绝缘介质层，所述高压电极置于所述绝缘介质层内，所述绝缘介质层外部包裹第一绝缘层和第二绝缘层，且所述第一绝缘层和所述第二绝缘层被所述地电极分隔，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层外部包裹有金属套管，所述金属套管即为所述等离子体射流装置的外壳。
作为本发明进一步的改进，所述高压电极和所述地电极分别为中空管状电极和环状电极；
或，所述高压电极和所述地电极分别为环状电极和环状电极；
或，所述高压电极和所述地电极分别为针状电极和环状电极。
作为本发明进一步的改进，所述高压电极、所述地电极、所述金属套管和所述金属支架均为导电金属材料。
作为本发明进一步的改进，所述绝缘介质层、所述第一绝缘层和所述第二绝缘层采用聚四氟乙烯或石英或玻璃或陶瓷材料。
本发明还提供了一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
步骤101，将待处理样品放置在所述处理平台上，通过所述距离调节按钮调节所述等离子体射流装置与所述待处理样品之间的距离；
步骤102，打开所述反应气体源装置，调节所述反应气体源装置上的流量控制阀，所述反应气体源装置内的反应气体通过所述进气管进入所述微秒脉冲激励电源的进气口，反应气体通过所述出气管进入所述等离子体射流装置中；
步骤103，打开所述微秒脉冲激励电源，通过脉冲发生器，调节电源参数，所述等离子体射流装置产生的等离子体射流处理所述待处理样品。
本发明的有益效果为：
1、该微秒脉冲等离子体射流一体机装置搭建结构紧凑的微秒脉冲激励电源，微秒脉冲激励电源与等离子体射流装置一体化设计，具有放电效率高和装置小型化的优势，方便携带与使用；
2、该微秒脉冲等离子体射流一体机装置输出可输出电压幅值0-20kV连续可调、频率0-1.5kHz连续可调、上升沿0.5us、半高宽8us的高压脉冲；
3、在实际应用中，可以应用于表面处理、生物医学应用等领域。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置的结构示意图；
图2为图1中微秒脉冲激励电源的结构示意图；
图3为图1中等离子体射流装置的结构示意图。
图中，
1、微秒脉冲激励电源；2、等离子体射流装置；3、调压器T；4、整流桥；5、脉冲变压器PT；6、电阻R1；7、一级电容C1；8、二级电容C2；9、升压电感L；10、充电二极管D1；11、开关IGBT；12、脉冲发生器；13、光电转换部分；14、驱动回路；15、吸收电容C3；16、吸收电阻R2；17、二极管D2；18、地电极；19、绝缘介质层；20、第一绝缘层；21、第二绝缘层；22、金属套管；23、金属支架；24、处理平台；25、距离调节按钮；26、连接线；27、高压线；28、出气管；29、反应气体装置；30、流量控制阀；31、进气管；32、进气口；33、高压电极。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置，包括微秒脉冲激励电源1、等离子体射流装置2和反应气体装置29，微秒脉冲激励电源1通过连接线26内设置的高压线27与等离子体射流装置2的高压端连接，反应气体装置29内的反应气体通过进气管31进入微秒脉冲激励电源1的进气口32，并通过连接线26内设置的出气管28进入等离子体射流装置2中。
如图2所示，微秒脉冲激励电源1包括低压模块和高压模块，低压模块包括调压器T3、整流桥4、倍压回路、触发控制电路和吸收保护电路，高压模块包括脉冲变压器PT5，调压器T3的原边与交流电压连接，调压器T3的副边与整流桥4连接，整流桥4与倍压回路连接，倍压回路与触发控制电路和吸收保护电路连接，倍压回路与脉冲变压器PT5的原边连接，脉冲变压器PT5的副边与等离子体射流装置2连接；外部输入的交流电压经过调压器T3调压后作为微秒脉冲激励电源1的输入电压，该输入电压经过整流桥4后转换成直流电压；倍压回路对该直流电压进行升压充电，得到初始脉冲，并在触发控制电路的控制下进行放电，通过脉冲变压器PT5耦合对等离子体射流装置2输出高压微秒脉冲；触发控制电路控制倍压回路中开关IGBT11的开通和关断，对倍压回路进行隔离；吸收保护电路吸收开关IGBT11在开通和关断过程中产生的过电流和过电压。
具体的，倍压回路包括电阻R16、一级电容C17、二级电容C28、升压电感L9、充电二极管D110和开关IGBT11，电阻R16和一级电容C17串联，一级电容C17、升压电感L9、充电二极管D110和二级电容C28串联，开关IGBT11的栅极与触发控制电路连接，开关IGBT11的集电极与充电二极管D110的负极连接，开关IGBT11的发射极与吸收保护电路连接。整流桥4转换后的直流电压经过电阻R16对一级电容C17充电。一级电容C17通过升压电感L9、充电二极管D110、脉冲变压器PT5的励磁电感(脉冲变压器PT5非饱和状态时可看成无穷大时可忽略)和漏感对二级电容C28升压充电。开关IGBT11开通时，二级电容C28由开关IGBT11、脉冲变压器PT5的漏感和脉冲变压器PT5的原边构成的回路放电，在放电的过程中大部分能量通过脉冲变压器PT5耦合传输到等离子体射流装置2。其中，一级电容C17由多个电解电容并联组成以减小电源体积。
具体的，触发控制电路包括脉冲发生器12、光电转换部分13和驱动回路14，脉冲发生器12与光电转换部分13相连，光电转换部分13与驱动回路14相连，驱动回路14与开关IGBT11的栅极连接。脉冲发生器12采用ARM芯片，产生可调脉宽、频率、个数、延时的脉冲，产生的脉冲通过光电转换部分13把电信号转成光信号再转成电信号，输出到驱动回路14，产生触发脉冲控制开关IGBT11的关断和开通。触发控制电路和倍压回路隔离开来，避免了开关IGBT11开通和关断时，产生的干扰信号对于触发脉冲的干扰，避免产生误触发。
吸收保护电路用来吸收开关IGBT11在开通和关断过程产生的过电流和过电压，开关IGBT11承受过电流和过电压的能力很差，开关关断时，脉冲变压器PT5漏感和线路的杂散电感会产生感应电压，与二级电容C28的电压方向一致，这两个电压产生叠加，使得开关IGBT11承受很高的电压。而本电路中对开关IGBT11采用硬关断的方式，在开通和关断时，电压、电流均不为0，di/dt和du/dt很大，波形产生过冲，开关IGBT11会承受很大的浪涌电流和尖峰电压，重复频率时，开关损耗很大，甚至击穿，因此需要给开关IGBT11加上缓冲回路，即吸收保护回路。具体的，吸收保护电路包括吸收电容C315、吸收电阻R216和二极管D217，吸收电容C315和吸收电阻R216串联，二极管D217的负极与吸收电容C315和吸收电阻R216之间的节点连接，二极管D217的正极与充电二极管D110和二级电容C28之间的节点连接，开关IGBT11的发射极与吸收电容C315连接。
其中，脉冲变压器PT5的变比为1/40，材料选用铁基非晶合金，其具有高饱和磁感应强度、高初始磁导率、剩余磁感应强度Br低、矫顽力Hc小、高电导率等优点。脉冲变压器PT5的原边尽量减少匝数以减少变压器漏感，从而减小输出脉冲的上升沿，减小脉冲宽度。
微秒脉冲激励电源1的主要发热器件为开关IGBT11、吸收电阻R216、升压电感L9、脉冲变压器PT5，脉冲重复频率较高时，开关IGBT11的通断损耗很大，因此，将可将整流桥4、倍压回路、触发控制电路和吸收保护电路加装于铝合金散热片上并采用3000r/min的风机进行强制风冷。微秒脉冲激励电源1也可采用级联式或开关切断式脉冲成型方式，但不仅限于上述方式。
本实施例中的整流桥4、倍压回路、触发控制电路和吸收保护电路集中布置并集成在一块PCB板上，大大减小了微秒脉冲激励电源1的体积。
等离子体射流装置2通过距离调节按钮25固定在金属支架23上，且等离子体射流装置2的外壳通过金属支架23接地，金属支架23固定在处理平台24上。具体的，如图3所示，等离子体射流装置2包括高压电极33、地电极18和绝缘介质层19，高压电极33置于绝缘介质层19内，绝缘介质层19外部包裹第一绝缘层20和第二绝缘层21，且第一绝缘层20和第二绝缘层21被地电极18分隔，第一绝缘层20和第二绝缘层21外部包裹有金属套管22，金属套管22即为等离子体射流装置2的外壳。
其中，高压电极33和地电极18分别为中空管状电极和环状电极；或，高压电极33和地电极18分别为环状电极和环状电极；或，高压电极33和地电极18分别为针状电极和环状电极。高压电极33、地电极18、金属套管22和金属支架23均为导电金属材料，如不锈钢、金属钢、钨等，但不仅限于以上材料。绝缘介质层19、第一绝缘层20和第二绝缘层21采用聚四氟乙烯或石英或玻璃或陶瓷材料，但不仅限于以上材料。
反应气体装置29内的反应气体可为氩气或者氦气等稀有气体，也可使用空气或其它稀有气体以及混合气体作为工作气体，但不仅限于上述气体。
实施例2，本发明还提供了一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
步骤101，将待处理样品放置在处理平台24上，通过距离调节按钮25调节等离子体射流装置2与待处理样品之间的距离；
步骤102，打开反应气体源装置29，调节反应气体源装置29上的流量控制阀30，反应气体源装置29内的反应气体通过进气管31进入微秒脉冲激励电源1的进气口32，反应气体通过出气管28进入等离子体射流装置2中；
步骤103，打开微秒脉冲激励电源1，通过脉冲发生器，调节电源参数，等离子体射流装置2产生的等离子体射流处理待处理样品。
本发明的微秒脉冲等离子体射流一体机装置可以应用与表面改性及薄膜沉积，也可用于生物医学、杀菌消毒，但不仅限于上应用范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，包括微秒脉冲激励电源(1)、等离子体射流装置(2)和反应气体装置(29)，所述微秒脉冲激励电源(1)通过连接线(26)内设置的高压线(27)与所述等离子体射流装置(2)的高压端连接，所述反应气体装置(29)内的反应气体通过进气管(31)进入所述微秒脉冲激励电源(1)的进气口(32)，并通过所述连接线(26)内设置的出气管(28)进入所述等离子体射流装置(2)中；
其中，
所述微秒脉冲激励电源(1)包括低压模块和高压模块，所述低压模块包括调压器T(3)、整流桥(4)、倍压回路、触发控制电路和吸收保护电路，所述高压模块包括脉冲变压器PT(5)，所述调压器T(3)的原边与所述交流电压连接，所述调压器T(3)的副边与所述整流桥(4)连接，所述整流桥(4)与所述倍压回路连接，所述倍压回路与所述触发控制电路和所述吸收保护电路连接，所述倍压回路与所述脉冲变压器PT(5)的原边连接，所述脉冲变压器PT(5)的副边与所述等离子体射流装置(2)连接；外部输入的交流电压经过所述调压器T(3)调压后作为所述微秒脉冲激励电源(1)的输入电压，该输入电压经过所述整流桥(4)后转换成直流电压；所述倍压回路对该直流电压进行升压充电，得到初始脉冲，并在所述触发控制电路的控制下进行放电，通过所述脉冲变压器PT(5)耦合对所述等离子体射流装置(2)输出高压微秒脉冲；所述触发控制电路控制所述倍压回路中开关IGBT(11)的开通和关断，对所述倍压回路进行隔离；所述吸收保护电路吸收所述开关IGBT(11)在开通和关断过程中产生的过电流和过电压；
所述等离子体射流装置(2)通过距离调节按钮(25)固定在金属支架(23)上，且所述等离子体射流装置(2)的外壳通过所述金属支架(23)接地，所述金属支架(23)固定在处理平台(24)上。
2.根据权利要求1所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述倍压回路包括电阻R1(6)、一级电容C1(7)、二级电容C2(8)、升压电感L(9)、充电二极管D1(10)和开关IGBT(11)，所述电阻R1(6)和所述一级电容C1(7)串联，所述一级电容C1(7)、所述升压电感L(9)、所述充电二极管D1(10)和所述二级电容C2(8)串联，所述开关IGBT(11)的栅极与所述触发控制电路连接，所述开关IGBT(11)的集电极与所述充电二极管D1(10)的负极连接，所述开关IGBT(11)的发射极与所述吸收保护电路连接；
所述整流桥(4)转换后的直流电压经过所述电阻R1(6)对所述一级电容C1(7)充电；
所述一级电容C1(7)通过所述升压电感L(9)、所述充电二极管D1(10)、所述脉冲变压器PT(5)的励磁电感和漏感对所述二级电容C2(8)升压充电；
所述开关IGBT(11)开通时，所述二级电容C2(8)由所述开关IGBT(11)、所述脉冲变压器PT(5)的漏感和所述脉冲变压器PT(5)的原边构成的回路放电。
3.根据权利要求2所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述一级电容C1(7)由多个电解电容并联组成。
4.根据权利要求1所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述触发控制电路包括脉冲发生器(12)、光电转换部分(13)和驱动回路(14)，所述脉冲发生器(12)与所述光电转换部分(13)相连，所述光电转换部分(13)与所述驱动回路(14)相连，所述驱动回路(14)与所述开关IGBT(11)的栅极连接；
所述脉冲发生器(12)产生的脉冲，通过所述光电转换部分(13)把电信号转成光信号再转成电信号，输出到所述驱动回路(14)，产生触发脉冲控制所述开关IGBT(11)的关断和开通。
5.根据权利要求1所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述吸收保护电路包括吸收电容C3(15)、吸收电阻R2(16)和二极管D2(17)，所述吸收电容C3(15)和所述吸收电阻R2(16)串联，所述二极管D2(17)的负极与所述吸收电容C3(15)和所述吸收电阻R2(16)之间的节点连接，所述二极管D2(17)的正极与所述充电二极管D1(10)和所述二级电容C2(8)之间的节点连接，所述开关IGBT(11)的发射极与所述吸收电容C3(15)连接。
6.根据权利要求1所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述等离子体射流装置(2)包括高压电极(33)、地电极(18)和绝缘介质层(19)，所述高压电极(17)置于所述绝缘介质层(19)内，所述绝缘介质层(19)外部包裹第一绝缘层(20)和第二绝缘层(21)，且所述第一绝缘层(20)和所述第二绝缘层(21)被所述地电极(18)分隔，所述第一绝缘层(20)和所述第二绝缘层(21)外部包裹有金属套管(22)，所述金属套管(22)即为所述等离子体射流装置(2)的外壳。
7.根据权利要求6所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述高压电极(33)和所述地电极(18)分别为中空管状电极和环状电极；
或，所述高压电极(33)和所述地电极(18)分别为环状电极和环状电极；
或，所述高压电极(33)和所述地电极(18)分别为针状电极和环状电极。
8.根据权利要求6所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述高压电极(33)、所述地电极(18)、所述金属套管(22)和所述金属支架(23)均为导电金属材料。
9.根据权利要求6所述的微秒脉冲等离子体射流一体机装置，其特征在于，所述绝缘介质层(19)、所述第一绝缘层(20)和所述第二绝缘层(21)采用聚四氟乙烯或石英或玻璃或陶瓷材料。
10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤101，将待处理样品放置在所述处理平台(24)上，通过距离调节按钮(25)调节等离子体射流装置(2)与所述待处理样品之间的距离；
步骤102，打开反应气体源装置(29)，调节所述反应气体源装置(29)上的流量控制阀(30)，所述反应气体源装置(29)内的反应气体通过进气管(31)进入微秒脉冲激励电源(1)的进气口(32)，反应气体通过出气管(28)进入所述等离子体射流装置(2)中；
步骤103，打开所述微秒脉冲激励电源(1)，通过脉冲发生器(12)，调节电源参数，所述等离子体射流装置(2)产生的等离子体射流处理所述待处理样品。
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