CN107105566A - 管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置 - Google Patents

管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置 Download PDF

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Abstract

管‑环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，所述装置的高压电极为内径7mm、外经7.9mm、长125mm的不锈钢管，在它的外层紧密覆盖一内径9 mm、外经15 mm、长103 mm的石英玻璃管。石英玻璃管的下端为圆锥体形状，并且有一个孔径为1.5mm的气体出口。所述装置的有效功率和气体温度相对较低，并且有效功率、用于检测的气体分子转动温度和振动温度、电子激发温度、用于检测的气体原子密度、用于检测的气体分子密度和平均电子密度随峰值电压的增大而增大，同时所述装置可以降低等离子体射流源工作的峰值电压，使等离子体射流源能够在峰值电压1.98KV下，将气体击穿，同时可以提高活性氧原子密度。

Description

管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置
技术领域
本发明专利涉及一种介质阻挡放电装置，更加具体的说是管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置。
背景技术
在大气介质阻挡放电中，有一种为体介质阻挡放电，另一种情况为沿面介质阻挡放电；同时所述的体介质阻挡放电的气体击穿电压比沿面介质阻挡放电的高；同时所述的体介质阻挡放电在相同能量下产生的活性粒子种类和数量比沿面介质阻挡放电的少，也就是说前者没有放电均匀；沿面介质阻挡放电根据电极结构又可分为“共面型”沿面介质阻挡放电电极结构和“非共面型”沿面介质阻挡放电电极结构；现存的介质阻挡放电射流装置电极等离子体射流源的高压电极在接地电极的内部，因此是以径向电场为主的等离子体射流源；J．L．Walsh等人比较了径向电场和轴向电场的大气压介质阻挡放电等离子体射流源的特性，发现轴向电场等离子体射流源能够使电子更容易迁移到射流的下游端，因此在下游端产生的活性粒子浓度更高，电子激发温度也更大。
发明内容
本发明专利克服了现有技术条件不足，提供一种管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，本发明专利解决的技术方案是：本发明专利所述装置的高压电极为内径7mm、外经7.9mm、长125mm的不锈钢管，在它的外层紧密覆盖一内径9 mm、外经15 mm、长103 mm的石英玻璃管。石英玻璃管的下端为圆锥体形状，并且有一个孔径为1.5mm的气体出口。在石英玻璃管的外壁距气体出口15 mm处紧密缠绕着长20 mm、厚0.5 mm的铜箔，并作为环状接地电极。接地电极的上端与管状高压电极的底部放电端在同一高度上。在气体出口下方10 mm处放置一个厚0.8mm的石英玻璃板。
高纯氩气从上方气体入口进入，并利用质量流量计控制其流量为2Ipm。电源采用幅值0.25 kV，频率为9kHz的交流电源。电源输出电压利用高压探头测量得到，输出电流通过测量与接地电极串联的100欧姆电阻上的的电压得到，所述装置的李萨如图形通过与接地电极串联120 nF电容得到，并记录在装置所使用的示波器上；所述特征发射光谱由光谱仪的光栅采集得到，并且光纤探头固定在石英玻璃板下方2.8mm处；放电照片与射流长度是由尼康数码相机拍照得到。
本发明专利的有益效果：所述装置可以降低等离子体射流源工作的峰值电压，使等离子体射流源能够在峰值电压1.98KV下，将气体击穿，同时可以提高活性氧原子密度。
附图说明
图1是本发明专利的系统结构示意图。
图2是本发明专利有效功率随峰值电压变化图。
图3是本发明专利不同电压等离子体射流长度随浓度变化图。
图4是本发明专利等离子体射流长度随峰值电压变化的照片图。
图5是本发明专利电压相同射流强度与波长范围关系图。
图6是本发明专利电子激发温度随峰值电压变化图。
图7是本发明专利转动温度随峰值电压变化图。
图8是本发明专利振动温度随峰值电压变化图。
具体实施方式
下面应用具体实例对本发明专利进行一般说明。
实施例：所述高浓度气体，从进气孔进入，接通相关交流电源，设置好参数，在示波器、测谱仪中观察数据变化；本发明专利主要以高纯度气体为实验气体，图2给出了利用李莎茹图形计算得到的有效功率随峰值电压的变化。从该图中可以看，当峰值电压从5.0 kV增大到7.09 kV时，有效功率从3.0W增大到了5.5W，明显小于电极等离子体射流消耗的有效功率，这意味着管-环式电极等离子体射流装置相对更节能。
图3和4分别给出了不同电压下，等离子体射流长度随高纯度气体流量的变化和峰值电压为6.05KV时,等离子体射流长度随高纯度气体流量变化的照片。从图3和4中可以看出，等离子体射流长度随气体流量的增大,分别经历了层流模式、过度模式以及湍流模式。在层流模式,等离子体射流长度迅速地增大到最大值；在过度模式，等离子体射流长度迅速地减小；而在湍流模式，等离子体射流长度基本保持不变。另外，所述装置中等离子体射流长度随峰值电压的增大而增大，但是当峰值电压增大到6.05KV时，等离子体射流长度基本保持不变。
所述装置在峰值电压为5.0KV时，波长为范围内测量得到的管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置等离子体射流的发射光谱。从图5中可以看出，等离子体射流中存在激发态的、 、、等粒子。利用波尔兹曼分布斜率法，选择跃迁产生的和跃迁产生的706.7nm、714.7nm、738.4nm、751.5nm、794.8nm、800.6nm等7条激发态氩原子谱线，并结合数据分析给出相应的选择谱线的光谱参数，得到了等离子体射流的电子激发温度，如图6所示。从该图中可以看出，电子激发温度随峰值电压的增大,几乎是线性地增大。当峰值电压从5.0KV增大到7.09KV时，电子激发温度从3188K增大到了3295K，明显大于螺环-环式电极等离子体射流装置的电子激发温度，这意味着管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子能量更大。这主要是因为,螺环-环式电极等离子体射流装置的高压电极在接地电极的内部,因此以径向电场为主，而管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的管状高压在接地电极的上方，因此与前者相比它的轴向电场更大,从而使电子通过加速运动获得的能量更大。
大气压冷等离子体射流的气体温度，除了利用前面已经提到的氮分子的转动温度确定以外，也可以利用羟基的转动温度确定。为了准确地确定出羟基和氮分子的转动温度，利用光谱分析软件Lifbase模拟从跃迁产生的分子谱带和利用软件Specair模拟从跃迁产生的分子谱带，并与实验测量得到的谱带进行了比较，从而确定出羟基和氮分子的转动温度。
所述图7和图8中可以发现，从 跃迁产生分子谱带的转动温度和振动温度，随峰值电压的增大几乎线性地增大。当峰值电压从5.0KV增大到7.09KV时，转动温度从342K增大到了387K，而振动温度从1260K增大到了1295K，并且远大于转动温度，这意味着管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置处于非热平衡状态。
所述管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置中氮分子转动温度略小于螺环-环式电极等离子体射流装置的氮分子转动温度，这可能是由两个原因造成的：一个是氩气的流动可以有效地地降低气体温度；另一个是这两个射流装置的传导电流和有效功率只有几mA和几W，尽管它们的差值比较明显，但是相对比较小，因此两者的气体温度比较接近。此外，所述管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的电子能量比螺环-环式电极等离子体射流的电子能量大，因此通过电子-分子碰撞激发，使管-环式电极等离子体射流的氮分子振动温度进一步得到了提高。
利用示踪元素光谱法，测量了所述管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置富含的氧原子密度和氮分子密度，等离子体射流中的氧原子密度和氮分子密度随峰值电压的增大而增大，这意味着氧原子密度和氮分子密度随电子激发温度的增大而增大。当峰值电压从5.0KV增大到7.09KV时，等离子体射流中的氧原子密度从增大到了，而氮分子密度从增大到了。此外，所述管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的氧原子密度明显大于其他电极等离子体射流装置的氧原子密度，而它的氮分子密度却比后者小。这是因为，管-环式电极等离子体射流中处于高能级的电子数比其他电极等离子体射流装置多，并且这些处于高能级的电子与氧分子发生反应，产生氧原子，所以所述管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置的氧原子密度比其他电极等离子体射流装置的氧原子密度大。
本发明专利未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.管-环式电极大气压沿面介质阻挡放电射流源装置，其特征是高压电极为内径7mm、外经7.9mm、长125mm的不锈钢管，在它的外层紧密覆盖一内径9 mm、外经15 mm、长103 mm的石英玻璃管。
2.根据权利要求1，所述装置石英玻璃管的下端为圆锥体形状，并且有一个孔径为1.5mm的气体出口。
3.根据权利要求1，所述装置在石英玻璃管的外壁距气体出口15 mm处紧密缠绕着长20mm、厚0.5 mm的铜箔，并作为环状接地电极。
4.根据权利要求1，所述装置接地电极的上端与管状高压电极的底部放电端在同一高度上，在气体出口下方10 mm处放置一个厚0.8mm的石英玻璃板，同时在需要测量射流时将石英玻璃板去掉。
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