CN106998617A - 基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置及方法，该装置包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括介质管、针电极、环电极以及平板电极，所述针电极位于所述介质管内，所述介质管的一端敞口，所述环电极位于所述介质管的敞口端处并与地线相接，所述平板电极与所述介质管的敞口端相对设置，在所述介质管上远离敞口端的位置设有进气口，所述进气口与所述供气机构相连。本发明可在介质管敞口端的开放环境内产生大尺度大气压辉光放电，所用工作气体流量小，且放电均匀持续，适宜大规模工业化应用。

Description

基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置及 方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置及方法。

背景技术

大气压辉光放电具有结构简单、操作方便、不需要昂贵的真空装置等优点，同时其产生的等离子体气体温度低、活性粒子浓度高、放电均匀，因而被广泛应用于杀菌消毒、臭氧合成、污水处理和材料表面改性等领域。

在国内外，关于辉光放电等离子体技术有了一定的研究和利用。如专利文件CN1694324A中提出了一种利用与高频电容型介质阻挡放电装置无电路联系的外加等离子体源为放电空间注入初始等离子体，增加放电空间的电荷密度，实现了大气压辉光放电。但其放电气隙间距较小（2~6mm），不利于对大尺度材料的处理。专利CN103179772A公开了利用介质阻挡放电中产生的活性粒子及紫外光电离点燃金属棒电极与平板电极之间的直流放电通道，从而产生较大气隙间距的直流辉光放电，能够对大尺度物体进行快速有效处理。但其介质阻挡放电的驱动电压高达10kV，并且所用氩气的气体流量较大（3000mL/min），这些条件无疑都提高了生产成本。因此，如何在大气压下利用较低的电压和较小的气流来产生较大尺度的直流辉光放电等离子体显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，以解决现有放电装置放电气隙间距较小以及成本较高的问题。

本发明的目的之二就是提供一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的方法。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；

所述放电机构包括介质管、针电极、环电极以及平板电极，所述针电极位于所述介质管内，所述介质管的一端敞口，所述环电极位于所述介质管的敞口端处并与地线相接，所述平板电极与所述介质管的敞口端相对设置，在所述介质管上远离敞口端的位置设有进气口，所述进气口与所述供气机构相连；所述放电机构设置于开放空间内，所述针电极靠近环电极的一端为放电端，在所述针电极的放电端与平板电极之间形成放电区域；

所述供气机构包括供气管路和提供工作气体的气瓶，所述供气管路的一端与所述介质管的进气口相连通，所述供气管路的另一端连接所述气瓶，在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述供电机构包括第一高压直流电源和第二高压直流电源，所述第一高压直流电源电连接所述针电极，所述第二高压直流电源电连接所述平板电极；在所述第一高压直流电源与针电极之间连接有第一镇流电阻，在所述第二高压直流电源与平板电极之间连接有第二镇流电阻｡

所述平板电极设置于一个绝缘桌面上，所述绝缘桌面上设置有水平放置的导轨，在所述导轨上接有可定位的滑动支架，所述平板电极固定在所述滑动支架上，并可随滑动支架在所述导轨上左右移动；即可调整所述介质管敞口端与所述平板电极之间的距离。

所述工作气体为氮气、惰性气体或氮气与惰性气体的混合气体。

所述介质管由绝缘材料玻璃、石英或聚四氟乙烯制成，所述介质管的内径为70~200μm。

所述针电极由金属材料钨、铜或铁制成，所述针电极的直径为20~150μm，所述针电极的放电端端面为平面或锥面，所述锥面优选具有适当的曲率。

所述环电极的由金属材料铜、铝或铁制成，所述环电极的内径为70~200μm，所述环电极所围成的内圈圆的面积大于所述针电极放电端的端面面积。

所述平板电极由金属材料钨、铜或铁制成，平板电极的板面面积大于所述介质管敞口端的面积；所述平板电极为圆形或顶角为圆角的多边形，平板电极板面的边缘具有适当的曲率，以避免出现尖端放电。

所述介质管的敞口端与平板电极之间的距离为1~240mm；所述第一高压直流电源的电压范围为-60kV~0kV，所述第二高压直流电源的电压范围为0kV~60kV；所述第一镇流电阻和第二镇流电阻的阻值为50 kΩ~20 MΩ，使得放电维持在连续的辉光放电阶段。

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尺度辉光放电的方法，其步骤如下：

a、设置上述放电装置；

b、打开所述供气管路上的气阀，由所述气瓶向所述介质管内通入工作气体；

c、打开第二高压直流电源的开关，使平板电极具有一定的电压值；

d、打开第一高压直流电源的开关，并逐渐增大其电压值，使得在所述环电极与平板电极间产生大尺度的辉光放电。

步骤b中，通入介质管内的工作气体的流量为10~500mL/min。可根据介质管的内径和工作气体的不同选择合适的气体流量。

本发明利用介质管、针电极和环电极组成微喷枪结构，且能够实现在介质管敞口端的开放环境内产生大尺度大气压辉光放电，所需工作气体流量远低于现有技术，为10~500mL/min，显著降低了生产成本，且放电均匀持续，适宜大规模工业应用，对于表面处理、材料刻蚀、杀菌消毒、飞行器减阻、航空器隐身等领域具有深远的意义和广泛的影响。

本发明结构简单，操作方便，价格低廉，装置设置于开放的大气环境中，不依赖于昂贵的真空室，放电所需驱动电压较低，放电尺度最大可达240mm，便于实现对大面积材料的快速处理。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是应用图1装置所产生的大尺度大气压辉光放电的照片。

图3是本发明主放电机构的伏安特性曲线。

图中：1、流量计，2、气压表，3、气阀，4气瓶，5、第一直流高压电源，6、第一镇流电阻，7、针电极，8、介质管，9、环电极，10、平板电极，11、第二镇流电阻，12、第二直流高压电源。

具体实施方式

实施例1，一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置。

如图1所示，本发明所提供的装置包括放电机构、供气机构和供电机构；

放电机构包括介质管8、针电极7、环电极9以及平板电极10，介质管8采用长度为7cm、内径为200μm的石英管。介质管8的一端敞口，另一端的底部设有进气口，与供气机构相连。在介质管8内插入针电极7，针电极7的直径为110μm，材料为钨，针电极7的放电端距介质管8的敞口端100μm。环电极9位于所述介质管2的敞口端处并与地线相接，环电极9的内径为200μm，材料为铜。平板电极10与介质管8的敞口端相对设置，平板电极10的板面为圆面，直径为8cm，其材料为铜。放电机构设置于开放空间内，针电极7靠近环电极9的一端为放电端，在针电极7的放电端与平板电极10之间形成放电区域。

供气机构包括供气管路和提供工作气体的气瓶4，工作气体为价格相对便宜的氩气。供气管路的一端与介质管的进气口相连通，另一端连接气瓶4，在供气管路上设置有气阀3、气压表2和流量计1。

供电机构包括第一高压直流电源5和第二高压直流电源12，第一高压直流电源5电连接针电极7，第二高压直流电源12电连接平板电极10；在第一高压直流电源5与针电极7之间连接有第一镇流电阻6，在第二高压直流电源12与平板电极10之间连接有第二镇流电阻11。第一高压直流电源5为负极性的直流电源，电压为-60 kV ~0 kV，第二高压直流电源12为正极性的直流电源，电压为0 kV ~60 kV。第一镇流电阻6和第二镇流电阻11均为100 kΩ，使得放电维持在连续的辉光放电阶段。

平板电极10设置于一个绝缘桌面上，绝缘桌面上设置有水平放置的导轨，在导轨上接有可定位的滑动支架，平板电极10固定在所述滑动支架上，并可随滑动支架在导轨上左右移动，即可调整介质管8敞口端与平板电极10之间的距离为2.8cm。

实施例2，一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的方法｡

本实施例利用实施例1所述的装置来产生大尺度大气压辉光放电。具体操作步骤如下：

首先按照图1所示设置并连接各部件，打开供气管路上的气阀3，使得气瓶4中的氩气通过介质管8喷出，然后打开第二高压直流电源12开关，调节第二高压直流电源12的输出电压到30kV，之后打开第一高压直流电源5开关，调节第一高压直流电源5的输出电压到-1.2kV时，针电极7的放电端与平板电极10的板面之间会产生大尺度大气压辉光放电。通入介质管8的氩气流量由流量计1控制在70 mL/min。

本实施例中，当环电极9与平板电极10的之间距离为2.8 cm时，利用照相机对产生的放电进行了拍摄，如图2所示，可以看出针电极7与平板电极10之间产生了大尺度的辉光放电。

本发明中，介质管8、针电极7和环电极9构成辅助放电机构，环电极9和平板电极10构成主放电机构，在辅助放电机构的不同放电电压下，利用示波器对主放电机构的电压和电流波形进行了监测和记录，分别做出在辅助放电机构放电电压为-1.2kV、-1.8kV和-2.4kV时主放电机构的伏安特性曲线，如图3所示。

Claims (10)

1.一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；其特征是，

所述放电机构包括介质管、针电极、环电极以及平板电极，所述针电极位于所述介质管内，所述介质管的一端敞口，所述环电极位于所述介质管的敞口端处并与地线相接，所述平板电极与所述介质管的敞口端相对设置，在所述介质管上远离敞口端的位置设有进气口，所述进气口与所述供气机构相连；所述放电机构设置于开放空间内，所述针电极靠近环电极的一端为放电端，在所述针电极的放电端与平板电极之间形成放电区域；

所述供气机构包括供气管路和提供工作气体的气瓶，所述供气管路的一端与所述介质管的进气口相连通，所述供气管路的另一端连接所述气瓶，在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；

所述供电机构包括第一高压直流电源和第二高压直流电源，所述第一高压直流电源电连接所述针电极，所述第二高压直流电源电连接所述平板电极；在所述第一高压直流电源与针电极之间连接有第一镇流电阻，在所述第二高压直流电源与平板电极之间连接有第二镇流电阻。

2.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述平板电极设置于一个绝缘桌面上，所述绝缘桌面上设置有水平放置的导轨，在所述导轨上接有可定位的滑动支架，所述平板电极固定在所述滑动支架上，并可随滑动支架在所述导轨上左右移动。

3.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述工作气体为氮气、惰性气体或氮气与惰性气体的混合气体。

4.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述介质管由绝缘材料玻璃、石英或聚四氟乙烯制成，所述介质管的内径为70~200μm。

5.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述针电极由金属材料钨、铜或铁制成，所述针电极的直径为20~150μm，所述针电极的放电端端面为平面或锥面。

6.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述环电极的由金属材料铜、铝或铁制成，所述环电极的内径为70~200μm，所述环电极所围成的内圈圆的面积大于所述针电极放电端的端面面积。

7.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述平板电极由金属材料钨、铜或铁制成，平板电极的板面面积大于所述介质管敞口端的面积；所述平板电极为圆形或顶角为圆角的多边形，平板电极板面的边缘具有适当的曲率。

8.根据权利要求1所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的装置，其特征是，所述介质管的敞口端与平板电极之间的距离为1~240mm；所述第一高压直流电源的电压范围为-60kV~0kV，所述第二高压直流电源的电压范围为0kV~60kV；所述第一镇流电阻和第二镇流电阻的阻值为50 kΩ~20 MΩ。

9.一种基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置权利要求1~8所述的任一装置；

b、打开所述供气管路上的气阀，由所述气瓶向所述介质管内通入工作气体；

c、打开第二高压直流电源的开关，使平板电极具有一定的电压值；

d、打开第一高压直流电源的开关，并逐渐增大其电压值，使得在所述环电极与平板电极间产生大尺度的辉光放电。

10.根据权利要求9所述的基于微等离子体喷枪产生大尺度大气压辉光放电的方法，其特征是，通入介质管内的工作气体的流量为10~500mL/min。