CN107105567A - 一种交流半波等离子体放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流半波等离子体放电方法。该方法依赖于一种新的交流半波等离子体放电装置，该装置的结构包括高压等离子体放电单元、高压整流单元和高压电源。高压等离子体放电单元包括相对设置的高压端水电极和地端水电极；高压端水电极为两个，两者并排设置且分离；高压整流单元包括两个二极管，两个高压端水电极分别接两个二极管的正极与负极，两个二极管的另一极均连接高压电源的高压端。高压输出时，两个高压端水电极会轮流导电，从而控制电压正负半周期在放电间隙不同位置分别放电，并在不同位置产生不同结构的等离子体光子晶体。本发明创新了放电装置，对于研究介质阻挡放电中壁电荷对放电的影响有重要意义。

Description

一种交流半波等离子体放电方法

技术领域

本发明涉及等离子体放电及应用技术领域，具体地说是一种交流半波等离子体放电方法。

背景技术

光子晶体是将两种介电常数不同的介质材料在空间周期排列形成的一种人造“晶体”结构。晶体中介质材料的折射率配比和不同介电常数的空间比以及“晶格”结构等直接决定了光子晶体的光子带隙，且其光子禁带位置是固定的，很难实现对电磁波的可调性控制。等离子体光子晶体，作为一种新型的光子晶体，由于其结构的时空可调，使其可以灵活调节相应的光子带隙，改变其能带位置和宽度，进而使频率落在该带隙的光禁止传播，实现对光频率的选择和光传播的控制。基于此，等离子体光子晶体在滤波器、等离子体天线、光开关以及等离子体隐身等众多电磁波控制领域得到广泛的应用。

目前，等离子体的应用研究，主要以气体放电产生等离子体的特征和其中化学反应为主要研究对象。气体放电产生等离子体主要有：弧光放电、电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电（DBD）和大气压下辉光放电等几种。其中，弧光放电因产生的等离子体温度过高，从而限制了其在工业生产中的应用；电晕放电产生的低温等离子体主要分布在极不均匀电场中的强电场区域，不适于工业大规模应用，而且这种放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低；辉光放电一般在低气压下进行，需要真空系统，在工业化处理过程中需要不断地打开真空室取出成品，添加试品，难以连续生产，生产效率低；最适合工业生产应用的是介质阻挡放电和大气压下的辉光放电。

介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为10~10000 Pa，电源频率可从50Hz至1MHz。目前，申请人采用双水电极介质阻挡放电（DBD）装置，实现了在放电空间具有几种折射率的等离子光子晶体，但同时在不同空间实现两种不同带隙结构的等离子光子晶体尚未研究。

发明内容

本发明的目的就是提供一种交流半波等离子体放电方法，采用该方法可在不同空间形成不同带隙结构的等离子体光子晶体。

本发明是这样实现的：一种交流半波等离子体放电方法，包括如下步骤：

a、搭建交流半波等离子体放电装置，所述交流半波等离子体放电装置包括高压等离子体放电单元、高压整流单元和高压电源；

所述高压等离子体放电单元包括相对设置的高压端水电极和地端水电极；所述高压端水电极包括两个并置且分离的单管，每一单管内均盛有蒸馏水，单管的两端面由透明玻璃或有机玻璃密闭，在单管上开有注水孔；在所述高压端水电极和所述地端水电极之间紧密放置有放电间隙绝缘隔板，在所述放电间隙绝缘隔板上制有两个相同的通孔，两个通孔分别对应高压端水电极的两个单管，两个通孔构成放电间隙空间；

所述高压整流单元包括第一高压二极管和第二高压二极管；所述第一高压二极管的正极与所述高压端水电极的一个单管相接，所述高压端水电极的另一个单管与所述第二高压二极管的负极相接，所述第一高压二极管的负极和所述第二高压二极管的正极均与所述高压电源的高压端相接，所述高压电源的地端与所述地端水电极相接；

b、将高压等离子体放电单元置于高压真空放电罐内，并对高压真空放电罐进行抽真空，之后向高压真空放电罐内充入氩气，使空气和氩气的混合气体作为放电气体；

c、打开高压电源开关，并逐步增大高压电源输出，高压电源输出的高压电压经两只高压二极管被分为正、负半周两部分分别输出；在高压电源输出的正半周内，在高压端水电极其中一个单管对应的通孔内产生等离子体光子晶体；在高压电源输出的负半周内，在高压端水电极另一单管对应的通孔内产生等离子体光子晶体；且在高压电源输出的正、负半周内，在两个通孔内产生的等离子体光子晶体结构不同。

步骤c中一般控制高压电源输出的放电电压频率为50-60kHz，放电电压幅度在3-4kV。

步骤b中，一般控制放电气体的气压为0.2~0.5atm，氩气体积含量占混合气体体积含量的10%~50%。

步骤a中，所述地端水电极可以由一个盛有蒸馏水的单管构成；此时所述地端水电极单管的直径大于所述高压端水电极两个单管直径之和。所述地端水电极还可以由两个并置且分离的单管构成，每一单管内均盛有蒸馏水；此时所述地端水电极的两个单管分别与所述高压端水电极的两个单管一一对应。单管的两端面由透明玻璃或有机玻璃密闭，在单管上开有注水孔。

步骤a中，所述高压整流单元还包括高压输入导电柱、正半周高压输出导电柱、负半周高压输出导电柱和绝缘盒；所述第一高压二极管的负极和所述第二高压二极管的正极均通过所述高压输入导电柱与所述高压电源的高压端相接，所述第一高压二极管的正极通过所述负半周高压输出导电柱与所述高压端水电极的一个单管相接，所述第二高压二极管的负极通过所述正半周高压输出导电柱与所述高压端水电极的另一单管相接；所述高压输入导电柱、所述正半周高压输出导电柱和所述负半周高压输出导电柱均嵌置在所述绝缘盒内。

步骤a中，所述放电间隙绝缘隔板可以由一整块板或两块分离的板制成。

步骤a中，在所述高压端水电极和所述地端水电极内分别置有铜电极。

步骤a中，所述放电间隙绝缘隔板上通孔的形状可以为圆形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形或八边形等规则的或不规则形状。所述放电间隙绝缘隔板上两个通孔之间可以不连通，也可以通过条形孔相连通。放电间隙边界由玻璃、石英玻璃或塑料材料制作。

本发明依赖于一种新的交流半波等离子体放电装置，实验时，利用高压二极管的单向导通特性，可将高压电源输出的高压电压分为正半周期（简称正半周）和负半周期（简称负半周）两部分分别输出；再结合由两个并置且分离的单管构成的高压端水电极以及具有两个通孔的放电间隙绝缘隔板，在高压电源输出的正半周内，控制在高压端水电极其中一个单管对应的通孔内产生介质阻挡放电，并形成等离子体光子晶体；在高压电源输出的负半周内，控制在高压端水电极另一单管对应的通孔内产生介质阻挡放电，并形成等离子体光子晶体。由于击穿电压、壁电荷积累不同，两个不同空间在合适的条件下自组织呈现出不同的斑图，即在两个空间形成不同的等离子体光子晶体。

本发明不仅创新了放电装置，而且对于研究壁电荷对放电的影响有重要意义，在工业领域中这种可以控制只在半周期放电的放电形式以及形成的等离子光子晶体也有广泛的应用前景。本发明中所提供的交流半波等离子体放电装置结构简单，原理清晰，易于实现，重复性和可操作性好，为更好地进行机理研究与工业应用创造了条件。

附图说明

图1是本发明所用交流半波等离子体放电装置的结构示意图。

图2是本发明中放电间隙绝缘隔板上通孔的结构示意图；其中，图2（a）是两个通孔不连通的结构示意图，图2（b）是两个通孔连通的结构示意图。

图3是本发明中高压整流单元的结构示意图。

图4是本发明实施例2所产生的等离子体光子斑图结构图；其中，图4（a）是正半周对应的斑图结构，图4（b）是负半周对应的斑图结构。

图5是本发明实施例3所产生的等离子体光子斑图结构图；其中，图5（a）是正半周对应的斑图结构，图5（b）是负半周对应的斑图结构。

图6是本发明实施例4所产生的等离子体光子斑图结构图；其中，图6（a）是正半周对应的斑图结构，图6（b）是负半周对应的斑图结构。

图中：1、高压等离子体放电单元，2、高压整流单元，3、高压电源，4、地端水电极，5、第一单管高压端水电极，6、第二单管高压端水电极，7、第一高压二极管，8、第二高压二极管，9、放电间隙绝缘隔板，10、玻璃介质板，11、高压输入导电柱，12、负半周高压输出导电柱，13、正半周高压输出导电柱，14、绝缘盒。

具体实施方式

实施例1，一种交流半波等离子体放电装置。

如图1所示，本实施例所介绍的交流半波等离子体放电装置包括高压等离子体放电单元1、高压整流单元2和高压电源3。高压等离子体放电单元1和高压整流单元2之间通过高压硅胶线连接，本发明中的高压电源3是高压交流电源。

高压等离子体放电单元1包括相对设置的高压端水电极（图中右侧）和地端水电极4（图中左侧）。高压端水电极为两个，分别为第一单管高压端水电极5和第二单管高压端水电极6，具体地说，高压端水电极包括两个并列设置（可以是上下并列设置，也可以是同一水平面上前后并列设置）且相互分离（或隔离）的单管，每一个单管均是圆柱形的绝缘空腔结构，两个单管的直径可以相同（如图所示），也可以不同；在每一个单管的两端面设有玻璃介质板，两个单管同一端面处的玻璃介质板可以为一整块，也可以是分离的两块；两个单管上均设有注水孔，通过注水孔向两个单管内注入蒸馏水，就形成了第一单管高压端水电极5和第二单管高压端水电极6。两个高压端水电极分别用作正半周和负半周等离子体放电。

地端水电极可以为一个（如图所示），也可以为两个。图1中地端水电极4的主体结构是一个圆柱形绝缘空腔，该圆柱形绝缘空腔的直径大于两个高压端水电极的直径之和，具体是，该圆柱形绝缘空腔的上面外侧壁与第一单管高压端水电极5的上面外侧壁齐平，该圆柱形绝缘空腔的下面外侧壁与第二单管高压端水电极6的下面外侧壁齐平。在该圆柱形绝缘空腔的两端面也设置有玻璃介质板10。在该圆柱形绝缘空腔的侧壁设有注水孔，通过注水孔向该圆柱形绝缘空腔内注入蒸馏水，进而形成了地端水电极4。当地端水电极为两个时，地端水电极也可以如高压端水电极一样，通过设置两个并置且分离的单管来形成，此时应保证地端水电极的两个单管与高压端水电极的两个单管一一对应。

在高压端水电极和地端水电极4内分别设置有铜电极。在高压端水电极和地端水电极4之间紧密放置有放电间隙绝缘隔板9，即：地端水电极4右端面的玻璃介质板、放电间隙绝缘隔板9以及高压端水电极（包括并列设置的第一单管高压端水电极5和第二单管高压端水电极6）左端面的玻璃介质板三者依序紧贴在一起。放电间隙绝缘隔板9可以为一整块绝缘隔板，也可以是独立、分离的两块绝缘隔板；若是两块绝缘隔板，则每一块绝缘隔板对应一个高压端水电极。

在放电间隙绝缘隔板9上制有两个形状、大小均相同的通孔，两个通孔分别对应高压端水电极的两个单管，且这两个通孔构成放电间隙空间。通孔的形状可以为圆形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形或八边形等等规则形状或不规则形状。两个通孔之间可以连通，也可以不连通。如图2所示，图2中（a）图示出了两个圆形通孔，且这两个通孔之间不连通，图2（b）中两个圆形通孔之间通过细长条形通孔相连通。对于图2（b）所示情形，可以研究细长条形通孔处的沿面放电情况。放电间隙边界可以由玻璃、石英玻璃或塑料材料制作。

实验时，应将高压等离子体放电单元1置于高压真空放电罐内；第一单管高压端水电极5和第二单管高压端水电极6内的两个铜电极分别连接高压真空放电罐的两个高压接线柱，地端水电极4内的铜电极连接高压真空放电罐的接地线柱。将高压真空放电罐密闭，并抽真空到合理气压值；之后向高压真空放电罐内充入适当的氩气，以在高压端水电极和地端水电极4之间的放电间隙内形成空气和氩气的混合气体，该混合气体即是放电气体。

结合图3，高压整流单元包括第一高压二极管7、第二高压二极管8、高压输入导电柱11、正半周高压输出导电柱13、负半周高压输出导电柱12和绝缘盒14。第一高压二极管7和第二高压二极管8分别进行交流正半周和负半周整流，并用于等离子体高压放电。第一高压二极管7和第二高压二极管8固定设置在绝缘盒14内部，高压输入导电柱11、正半周高压输出导电柱13和负半周高压输出导电柱12均嵌置在绝缘盒14内。在绝缘盒14内部，第一高压二极管7的正极连接负半周高压输出导电柱12，第一高压二极管7的负极连接高压输入导电柱11；第二高压二极管8的正极连接高压输入导电柱11，第二高压二极管8的负极连接正半周高压输出导电柱13。在绝缘盒14外部，高压输入导电柱11连接高压电源3的高压端，高压电源3的地端连接高压真空放电罐的接地线柱；正半周高压输出导电柱13连接第二单管高压端水电极6内的铜电极，负半周高压输出导电柱12连接第一单管高压端水电极5内的铜电极。

交流半波等离子体放电实验步骤为：

（1）搭建如图1所示的交流半波等离子体放电装置，注意要向高压端水电极和地端水电极内分别加注蒸馏水，并选择合适的放电间隙绝缘隔板。

（2）将高压等离子体放电单元整体放入高压真空放电罐内（图略），高压端水电极内的两个铜电极分别连接高压真空放电罐的两个高压接线柱，地端水电极内的铜电极连接高压真空放电罐的接地线柱；高压电源的高压输出端接高压整流单元的高压输入导电柱，正半周高压输出导电柱和负半周高压输出导电柱分别接高压真空放电罐的两个高压接线柱，高压电源的接地端接高压真空放电罐的接地线柱。

（3）将高压真空放电罐密闭，并抽真空到合理气压值；充入适当的氩气。氩气和空气的混合气体作为放电气体，一般控制放电气体的气压为0.2~0.5atm，氩气体积含量占混合气体体积含量的10%~50%。

（4）打开高压电源开关，并逐步增大高压电源输出，一般控制放电电压频率为50-60kHz，放电电压幅度在3-4kV，通过高压真空放电罐上的观察孔观察介质阻挡放电现象。

正弦高压电施加在两个高压端水电极上，在满足一定的放电条件时，放电间隙内会产生放电，并且正、负半周时间内形成两个不同击穿电压的放电区；通过改变放电条件包括改变气隙内气体的成分、压力、外加电压的频率、幅度以及放电间隙边界的形状、纵横比等，放电将在放电间隙的两半空间产生周期数不同、晶格常数不等的两种等离子体光子晶体结构。

通过本发明可以研究正、负电离粒子在不同放电时刻不同放电区域的放电现象，并形成不同的等离子体光子晶体，为进一步研究介质表面壁电荷和等离子体光子晶体提供实验数据，在工业上有广泛的应用前景。

下面以具体实施例详细介绍本发明在不同空间产生不同带隙结构等离子体光子晶体的过程。

实施例2

按图1所示搭建交流半波等离子体放电装置，向高压端水电极和地端水电极内分别加注蒸馏水，选择1.5mm厚的放电间隙绝缘隔板，并在放电间隙绝缘隔板上开设两个大小相同的正八边形通孔，且两个正八边形通孔之间通过细长条通孔相连通，两个正八边形通孔分别对应两个高压端水电极。将高压等离子体放电单元整体放入高压真空放电罐内，高压端水电极内的两个铜电极分别连接高压真空放电罐的两个高压接线柱，地端水电极内的铜电极连接高压真空放电罐的接地线柱；高压电源的高压输出端接高压整流单元的高压输入导电柱，正半周高压输出导电柱和负半周高压输出导电柱分别接高压真空放电罐的两个高压接线柱，高压电源的接地端接高压真空放电罐的接地线柱。

将高压真空放电罐密闭，并抽真空，之后充入氩气，使高压真空放电罐内放电气体气压为0.4atm，放电气体中氩气体积含量占混合气体体积的40%。逐步增大高压电源输出，高压电源输出的高压电压经两只高压二极管被分为正、负半周两部分分别输出，高压电源的正半周输出经第二高压二极管并经正半周高压输出导电柱后控制第二单管高压端水电极对应位置处产生介质阻挡放电，高压电源的负半周输出经第一高压二极管并经负半周高压输出导电柱后控制第一单管高压端水电极对应位置处产生介质阻挡放电。本实施例中当外加正弦电压频率为53kHz，外加电压为4kV时，通过高压真空放电罐上的观察孔观察两个正八边形通孔内产生的介质阻挡放电现象，所得结果如图4所示。图4（a）是正半周高压输出导电柱所接高压端水电极对应放电间隙内产生的等离子体光子斑图（即高压电源输出正半周时所产生的等离子体光子斑图，简称正半周所对应的斑图），图4（b）是负半周高压输出导电柱所接高压端水电极对应放电间隙内产生的等离子体光子斑图（即高压电源输出负半周时所产生的等离子体光子斑图，简称负半周对应的斑图）。虽然理论上正半周对应的斑图和负半周对应的斑图不同时出现，但由于放电频率很高，因此从视觉上看两者是同时出现的。图4（a）中斑图结构，内部为点组成的同心圆环，外部为与边界趋同的正八边形结构；图4（b）为蜂窝状的斑图结构。因此，图4（a）和图4（b）中放电丝排列结构不同，晶格常数不同，为不同的等离子体光子晶体。

实施例3

与实施例2相比，本实施例中放电间隙绝缘隔板上的两个通孔为正方形形状，放电气体中氩气体积含量占混合气体体积的30%，放电气体气压为0.3atm。逐步增大高压电源输出，在外加电压的正、负半周分别在不同位置放电，产生等离子体通道，与未放电区域周期性的排列自组织形成不同空间不同折射率的晶体结构。当外加正弦电压频率为53kHz，外加电压为3kV时，通过高压真空放电罐上的观察孔观察两个正方形通孔内产生的介质阻挡放电现象，所得结果如图5所示。图5（a）是正半周高压输出导电柱所接高压端水电极对应放电间隙内产生的等离子体光子斑图，图5（b）是负半周高压输出导电柱所接高压端水电极对应放电间隙内产生的等离子体光子斑图。图5（b）是规则的四边形斑图结构，图5（a）显然不是，因此两者的结构明显不同，所以晶格常数不同，为不同的等离子体光子晶体。

实施例4

与实施例2相比，本实施例中放电间隙绝缘隔板厚度为1mm，其上的两个通孔为长方形形状，放电气体中氩气体积含量占混合气体体积的35%，放电气体气压为0.3atm。当外加正弦电压频率为51kHz，外加电压为3.5kV时，通过高压真空放电罐上的观察孔观察两个长方形通孔内产生的介质阻挡放电现象，所得结果如图6所示。图6（a）是正半周高压输出导电柱所接高压端水电极对应放电间隙内产生的等离子体光子斑图，图6（b）是负半周高压输出导电柱所接高压端水电极对应放电间隙内产生的等离子体光子斑图。图6（a）为不规则的六边形斑图结构，图6（b）是蜂窝状斑图结构，因此两者的放电丝排列结构不同，晶格常数不同，为不同的等离子体光子晶体。

本发明实施例1所述的交流半波等离子体放电装置是一种新的介质阻挡放电装置，这为产生新形式的放电创造了条件。本发明将正、负半周放电区域分离，控制在外加高压的正负半周分别在同一间隙中的不同空间放电，减少了不同电荷离子间的耦合作用；放电在不同区域可以形成两种具有不同带隙结构的等离子体光子晶体，不仅在工业领域有广泛的应用前景，对于放电的理论研究即研究壁电荷对放电的影响也有重要的意义。

Claims (10)

1.一种交流半波等离子体放电方法，其特征是，包括如下步骤：

a、搭建交流半波等离子体放电装置，所述交流半波等离子体放电装置包括高压等离子体放电单元、高压整流单元和高压电源；

所述高压等离子体放电单元包括相对设置的高压端水电极和地端水电极；所述高压端水电极包括两个并置且分离的单管，每一单管内均盛有蒸馏水；在所述高压端水电极和所述地端水电极之间紧密放置有放电间隙绝缘隔板，在所述放电间隙绝缘隔板上制有两个相同的通孔，两个通孔分别对应高压端水电极的两个单管，两个通孔构成放电间隙空间；

所述高压整流单元包括第一高压二极管和第二高压二极管；所述第一高压二极管的正极与所述高压端水电极的一个单管相接，所述高压端水电极的另一个单管与所述第二高压二极管的负极相接，所述第一高压二极管的负极和所述第二高压二极管的正极均与所述高压电源的高压端相接，所述高压电源的地端与所述地端水电极相接；

b、将高压等离子体放电单元置于高压真空放电罐内，并对高压真空放电罐进行抽真空，之后向高压真空放电罐内充入氩气，使空气和氩气的混合气体作为放电气体；

c、打开高压电源开关，并逐步增大高压电源输出，高压电源输出的高压电压经两只高压二极管被分为正、负半周两部分分别输出；在高压电源输出的正半周内，在高压端水电极其中一个单管对应的通孔内产生等离子体光子晶体；在高压电源输出的负半周内，在高压端水电极另一单管对应的通孔内产生等离子体光子晶体；且在高压电源输出的正、负半周内，在两个通孔内产生的等离子体光子晶体结构不同。

2.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤c中控制高压电源输出的放电电压频率为50-60kHz，放电电压幅度在3-4kV。

3.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤b中，放电气体的气压为0.2~0.5atm，氩气体积含量占混合气体体积含量的10%~50%。

4.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，所述地端水电极由一个盛有蒸馏水的单管构成；所述地端水电极单管的直径大于所述高压端水电极两个单管直径之和。

5.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，所述地端水电极包括两个并置且分离的单管，每一单管内均盛有蒸馏水；所述地端水电极的两个单管分别与所述高压端水电极的两个单管一一对应。

6.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，所述高压整流单元还包括高压输入导电柱、正半周高压输出导电柱、负半周高压输出导电柱和绝缘盒；所述第一高压二极管的负极和所述第二高压二极管的正极均通过所述高压输入导电柱与所述高压电源的高压端相接，所述第一高压二极管的正极通过所述负半周高压输出导电柱与所述高压端水电极的一个单管相接，所述第二高压二极管的负极通过所述正半周高压输出导电柱与所述高压端水电极的另一单管相接；所述高压输入导电柱、所述正半周高压输出导电柱和所述负半周高压输出导电柱均嵌置在所述绝缘盒内。

7.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，所述放电间隙绝缘隔板由一整块板或两块分离的板制成。

8.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，在所述高压端水电极和所述地端水电极内分别置有铜电极。

9.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，所述放电间隙绝缘隔板上通孔的形状为圆形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形或八边形。

10.根据权利要求1所述的交流半波等离子体放电方法，其特征是，步骤a中，所述放电间隙绝缘隔板上两个通孔之间通过条形孔相连通。