CN106973482A - 一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，包括一介质容器，介质容器为圆柱体形，介质容器内间距设有第一接地电极和第二接地电极，第一接地电极和第二接地电极之间环形阵列均布开设有两个以上的通孔；第一接地电极和第二接地电极设有2个以上的高压电极，高压电极穿过所有通孔并与通孔截面呈交叉设置；第一接地电极和第二接地电极通过接地接线端子与工作电源连接；高压电极通过高压接线端子与工作电源连接；工作气体通过通孔通入，在通孔内的强电场作用下发生辉光放电，由工作气体产生的等离子体在气流和电场的共同作用下在通孔的出口处喷射形成辉光放电射流等离子体。

Description

一种花瓣式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，尤其是花瓣式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。

而大气压辉光放电射流等离子体是一种典型的低温等离子体，其不用通过复杂的如RC网络的控制就可以使放电电流在毫安级别，产生的射流等离子体温度接近室温，可以直接接触人体而对人体没有任何伤害，提高了射流等离子体在工业生产尤其是生物医学中应用的安全性与可靠性；另外，大气压辉光放电射流等离子体放电比较均匀，从而使被处理物处理的均匀性大大提高，可以有效的提高工业生产的效率。

现有技术中，大气压低温射流等离子体大多是在惰性气体（氦气和氩气为主）中生成的，绝大多数低温射流等离子体生成装置都能够在大气压下利用惰性气体（氦气和氩气为主）产生低温射流等离子体。但是惰性气体价格昂贵，生产成本高，不利于实际应用。因此，研究如何大气压下利用成本低廉的非惰性气体（氮气和空气为主）生成低温射流等离子体尤其是辉光放电射流等离子体成为了当前技术的热点与难点。

鉴于现有技术中有形式各样的在大气压下利用惰性气体产生低温射流等离子体或者辉光放电射流等离子体的装置，且在一般情况下，能够在大气压下利用氮气和空气等非惰性气体产生低温射流等离子体或辉光放电射流等离子体的装置都能够在大气压下利用惰性气体产生低温射流等离子体或者辉光放电射流等离子体，这里只对比了几种典型的能够在大气压下利用氮气和空气等非惰性气体形成低温射流等离子体的实例：

（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,Uhm H 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介质容器01，置于介质容器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500微米的通气孔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中心有与通气孔03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。但是高压电极02和接地电极03都与射流等离子体08直接接触，易发生弧光放电，且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，也存在上述不安全的问题。

氮气射流等离子体生成装置的工作气体有的可以是空气，有的则不可以；但空气射流等离子体生成装置的工作气体可以是氮气。这是因为空气中有氧气，氧气是电负性气体，具有很强的吸附电子的能力，所以空气比氮气低温射流等离子体更难形成，且空气射流长度比氮气射流长度短。但空气为混合气体，其化学活性较强，活性粒子较多，且广泛存在于大气环境中，有利于应用于不同领域。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，Hong Y C, Uhm H S. Air plasma jet with hollow electrodesat atmospheric pressure[J]. Physics of plasmas, 2007, 14(5).、Hong Y C, Kang WS, Hong Y B, et al. Atmospheric pressure air-plasma jet evolved frommicrodischarges: Eradication of E. coli with the jet[J]. Physics of Plasmas(1994-present), 2009, 16(12): 123502.、Mohamed A A H, Kolb J F, Schoenbach KH. Low temperature, atmospheric pressure, direct current microplasma jetoperated in air, 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-pressureplasma-jet from micronozzle array and its biological effects on living cellsfor cancer therapy[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(7):3701-073701.等。但其所描述装置的射流孔径都在亚毫米级别，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，但是由于其装置的孔径都在亚毫米级别，形成的射流等离子体面积小，且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，通气孔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从通气孔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，即使其采用相应的RC网络来保证安全，但由于RC值固定且整个装置的使用都是在高压环境下进行，一旦RC网络出现故障或者相应的放电条件发生变化就容易发生弧光放电，形成危险，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 pulsedair plasma plume driven by DC power supply[J]. Plasma Science, IEEETransactions on, 2010, 38(12): 3404-3408、中国专利201320361376. 6等都存在这些缺陷。

（3）大气压阵列式低温射流等离子体生成结构

鉴于上述射流等离子体生成结构的管状内径都在亚毫米级别，产生的等离子体面积小，为了获得相对大面积的低温射流等离子体，有人提出了大气压阵列式低温射流等离子体生成结构，但该结构采用线性排列，而研究结果表明线性排列的射流之间会相互干扰，导致产生的射流不均匀，且放电形式已经超出了辉光放电的范畴，单孔放电也不均匀。又有人提出旋转式多孔低温射流等离子体生成结构。中国专利申请号201310250837.7中，描述了一种旋转式多孔低温射流等离子体生成结构，其在单孔为亚毫米级别的情况下设置了多孔阵列旋转结构，获得了相对大面积的射流等离子体，但其单孔内径依然为亚毫米级别，其放电形式也不是辉光放电。为了获得低温等离子体，其必须在高压电源与高压电极之间设置相匹配的复杂的RC 网络来限制相应的射流等离子体的电流来控制射流等离子体的温度，且其高压电极与通气孔平行设置，在一些实际应用中（如生物医学中皮肤病的治疗，牙齿根管治疗等方面），通气孔出口端部绝缘存在很大的安全隐患。

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一种射流等离子体的花瓣式生成结构，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世界级技术难题。

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：

一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，包括一介质容器101，介质容器101为圆柱体形，介质容器101间距设有第一接地电极102和第二接地电极103，第一接地电极102和第二接地电极103之间环形阵列均布开设有两个以上的通孔104；第一接地电极102和第二接地电极103设有2个以上的高压电极105，高压电极105穿过所有通孔104并与通孔104截面呈交叉设置；第一接地电极102和第二接地电极103通过接地接线端子与工作电源连接；高压电极105通过高压接线端子与工作电源连接；工作气体（107）通过通孔（104）通入，在通孔（104）内的强电场作用下发生辉光放电，由工作气体（107）产生的等离子体在气流和电场的共同作用下在通孔（104）的出口处喷射形成辉光放电射流等离子体（108）。

其中，所述第一接地电极102和第二接地电极103为与介质容器101同心设置的柱形圆环。

或者，所述第一接地电极102和第二接地电极103为环形设置的与介质容器101同轴向的圆柱体形。

所述通孔104容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道109。

所述高压电极105为与圆柱体形的介质容器101同心圆环形或多边形。

所述介质容器101为绝缘材料，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105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105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。

所述第一接地电极102和第二接地电极103为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。

所述第一接地电极102和第二接地电极103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：

本发明利用所述通孔与所述高压电极之间的最小间隙所形成的最大场强点产生初始电子，从而有效降低整个装置放电的起始放电电压；考虑电场强度在介质分界面上的折射规律，利用所述绝缘介质介质容器和通气孔之间形成的弧形不均匀特点，使空间电场分布较均匀从而有利于产生均匀的辉光放电等离子体，避免放电向丝状放电和弧光放电的转变；在气流等其他因素的共同作用下，在通气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，多个通气孔可以并列放置，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（主要是氦气和氩气）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（主要是氮气和空气）产生大孔径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是本发明的实施例1的结构效果图。

5、图5是本发明的实施例1的横剖面图。

6、图6是本发明的实施例2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是本发明的实施例1的结构示意图；图5是本发明实施例1的横剖面图；图5中略去了容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道，取其中2个通孔的横剖面图，如图3、图4、图5所示，包括一介质容器101，介质容器101为圆柱体形，介质容器101间距设有第一接地电极102和第二接地电极103，第一接地电极102和第二接地电极103之间环形阵列均布开设有两个以上的通孔104；第一接地电极102和第二接地电极103设有2个以上的高压电极105，高压电极105穿过所有通孔104并与通孔104截面呈交叉设置；第一接地电极102和第二接地电极103通过接地接线端子与工作电源连接；高压电极105通过高压接线端子与工作电源连接；工作气体（107）通过通孔（104）通入，在通孔（104）内的强电场作用下发生辉光放电，由工作气体（107）产生的等离子体在气流和电场的共同作用下在通孔（104）的出口处喷射形成辉光放电射流等离子体（108）。

所述第一接地电极102和第二接地电极103为与介质容器101同心设置的柱形圆环。所述通孔104容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道109。所述高压电极105为与圆柱体形的介质容器101同心圆环形。

其中，通孔104内径为3.5毫米，介质容器101为绝缘材料，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。 高压电极105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。高压电极105为有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料为聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯。第一接地电极102和第二接地电极103为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。第一接地电极（102）和第二接地电极（103）为有绝缘层包裹的导线，绝缘层材料为聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯。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。

实施例2：

如图5所示，本发明的一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，包括一介质容器101，介质容器101为圆柱体形，介质容器101间距设有第一接地电极102和第二接地电极103，第一接地电极102和第二接地电极103之间环形阵列均布开设有两个以上的通孔104；第一接地电极102和第二接地电极103设有2个以上的高压电极105，高压电极105穿过所有通孔104并与通孔104截面呈交叉设置；第一接地电极102和第二接地电极103通过接地接线端子与工作电源连接；高压电极105通过高压接线端子与工作电源连接；工作气体（107）通过通孔（104）通入，在通孔（104）内的强电场作用下发生辉光放电，由工作气体（107）产生的等离子体在气流和电场的共同作用下在通孔（104）的出口处喷射形成辉光放电射流等离子体（108）。

所述第一接地电极102和第二接地电极103为环形设置的与介质容器101同轴向的圆柱体形。所述通孔104容纳有与外部工作气体管道连通的空气管道108。

所述高压电极105为与圆柱体形的介质容器101同心多边形。

其中，通孔104内径为3.5毫米，介质容器101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。 高压电极105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。高压电极105为有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料选自氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯的一种。第一接地电极102和第二接地电极103为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。第一接地电极（102）和第二接地电极（103）为有绝缘层包裹的导线，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。

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 (10)

1.一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，包括一介质容器（101），介质容器（101）为圆柱体形，介质容器（101）间距设有第一接地电极（102）和第二接地电极（103），第一接地电极（102）和第二接地电极（103）之间环形阵列均布开设有两个以上的通孔（104）；第一接地电极（102）和第二接地电极（103）设有2个以上的高压电极（105），高压电极（105）穿过所有通孔（104）并与通孔（104）截面呈交叉设置；第一接地电极（102）和第二接地电极（103）通过接地接线端子与工作电源连接；高压电极（105）通过高压接线端子与工作电源连接；工作气体（107）通过通孔（104）通入，在通孔（104）内的强电场作用下发生辉光放电，由工作气体（107）产生的等离子体在气流和电场的共同作用下在通孔（104）的出口处喷射形成辉光放电射流等离子体（108）。

2.根据权利要求1所述的一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述第一接地电极（102）和第二接地电极（103）为与介质容器（101）同心设置的柱形圆环。

3.根据权利要求1所述的一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述第一接地电极（102）和第二接地电极（103）为环形设置的与介质容器（101）同轴向的圆柱体形。

4.根据权利要求1所述的一种花瓣式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（109）。

5.根据权利要求1所述的一种花瓣式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（105）为与圆柱体形的介质容器（101）同心圆环形或多边形。

6.根据权利要求1所述的一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述介质容器（101）为绝缘材料，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。

7.根据权利要求1所述的一种花瓣式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（105）为有绝缘层包裹的导线或裸导体；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；所述裸导体为钨、铜、铝、不锈钢或者碳纤维制成的裸导体。

8.根据权利要求1所述的一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述第一接地电极（102）和第二接地电极（103）为钨、铜、铝或不锈钢导电性能好的金属材料或者碳纤维。

9.根据权利要求1所述的一种花瓣式辉光放电射流等离子体生成结构，其特征在于，所述第一接地电极（102）和第二接地电极（103）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。

10.根据权利要求1所述的一种花瓣式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。