CN107135597A - 一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法，属于大气压低温等离子体技术领域。装置包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源，有两种形式：一种上、下电极结构对称，另一种上、下电极结构不对称。上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙为1‑15mm，通过垫片调整；金属柱与放电间隙等高度，放置于放电间隙之间；风道系统放置于装置整个装置的侧面，用于向放电间隙引入气流。本发明能够实现放电间隙为5‑10mm的均匀放电，在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体。

Description

一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的 装置及使用方法

技术领域

本发明属于大气压低温等离子体技术领域，涉及一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法。

背景技术

在工业生产中，一般会采用在技术上较容易控制的气体放电方式产生低温等离子体。气体放电产生的等离子体的形式主要有电晕放电、弧光放电、辉光放电和介质阻挡放电等几种。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，而且电晕放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低。弧光放电因产生的等离子体的温度过高，从而限制了其在工业生产中的应用。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的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大气压下的介质阻挡放电。

介质阻挡放电的特点是在电极间安插介质，这样可以防止在放电空间形成局部火花或者弧光放电，其工作气压范围很宽，可以在大气压下产生稳定的低温等离子体。目前，介质阻挡放电在臭氧的生成、材料的表面改性、杀菌消毒、新型光源、薄膜沉积、电磁波屏蔽、环境保护等工业领域具有广泛的应用前景。大气压下的介质阻挡放电有两种放电模式，即丝状放电和均匀放电。丝状介质阻挡放电在放电空间存在大量的高能量密度的电流细丝，其不均匀性和能量密度集中性限制了其在很多工业领域的应用前景，如材料表面改性、薄膜沉积、杀菌消毒、废气处理等。对于强调均匀性的应用，放电的不均匀性会导致材料处理不均匀；对于不强调均匀性的应用，丝状放电的效率低。因此，相比于大气压丝状介质阻挡放电，大气压空气中形成的均匀介质阻挡放电在节约成本、提高生产效率以及优化处理效果等方面都体现着明显的优势。

目前，采用传统的平行板结构能够产生大气压均匀的介质阻挡放电，但是工作气体主要集中在惰性气体和氮气中，其中惰性气体的价格昂贵，而且氮气作为工作气体，需要密闭的工作腔室。这不仅增加了生产成本而且降低了生产效率。因此，最适合大规模工业应用的便是在大气压空气中实现均匀介质阻挡放电。

然而，在大气压空气中实现均匀的介质阻挡放电相对较难，这是因为空气是由氮气、氧气和水蒸气等气体组成的混合气体。空气中介质阻挡放电电离产生少量的激发态粒子会与电负性的氧气分子发生反应而快速消失。另外电负性的氧气分子还会吸附电子，导致放电空间的自由电子减少，形成流注放电。现有研究结果表明在大气压下实现空气均匀介质阻挡放电的间隙均小于5mm。当放电间隙大于5mm时，无论选择何种电源激励，得到的只能是丝状放电而非均匀放电。有理论计算证明当空气间隙大于5mm时，如果不设法降低击穿场强，将无法产生空气中均匀介质阻挡放电。

而本申请采用简单改进的介质阻挡放电结构，能够在大气压空气间隙5-10mm范围内产生大面积均匀介质阻挡放电等离子体，对未来的工业化应用发挥着一定的作用。

发明内容

针对现有技术不能在空气间隙大于5mm产生均匀介质阻挡放电的困难，本发明提供一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法。

本发明的技术方案为：

一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，该装置包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源。装置具有两种结构形式，能够得到相同的实验现象，即在大气压空气中实现放电间隙为5-10mm的均匀介质阻挡放电。

第一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀介质阻挡放电等离子体的装置能够实现5-10mm气隙范围内的均匀放电，包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源；其中，上、下电极结构对称。

所述的上、下电极为两个相互平行的圆形铜板3，均被镶嵌在上下两个立方体尼龙块6的圆形凹槽中。上、下两个尼龙块6的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆的两端通过尼龙螺母1拧紧，上、下两个尼龙块6之间放置垫片2，即上、下两个尼龙块6的两端通过放置垫片2产生并调节间隙。所述的垫片2为云母片、石英片和尼龙片等绝缘片。每个尼龙块6中心有一个圆柱孔，圆形铜板3中部连接的金属杆8通过该圆柱孔与外部的纳秒脉冲电源连接，金属杆8与纳秒脉冲电源的连线通过金属螺母7固定；上电极与纳秒脉冲电源高压端连接，下电极与纳秒脉冲电源接地端连接。

所述的上介质板、下介质板为结构尺寸相同的云母板4，一个云母板4通过导电胶粘在上电极的下表面，另一个云母板4通过导电胶粘在下电极的上表面。上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙通过垫片2的个数进行调整。放电间隙在1-15mm可调。

所述的金属柱5与放电间隙等高度，放置于放电间隙之间，通过上下两个云母板4夹紧固定。金属柱5的高度根据放电间隙的高度确定。所述的金属柱5材质为不锈钢。所述的金属杆8材质为铜。

所述的风道系统放置于整个装置侧面，用于向放电间隙引入气流，气流速度为5-260m/s连续可调。所述的纳秒脉冲电源的电压幅值根据放电间隙确定。所述的脉冲电源的电压幅值是20～40kV。

第二种产生大间隙、大面积的空气均匀等离子体的装置能够在空气中实现5-10mm的均匀放电，包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源；其中，上、下电极结构不对称。

所述的上电极为透明导电玻璃10，透明导电玻璃10被上方固定板12和下方石英介质板9夹紧固定，所述的固定板12为非导电材质。所述的透明导电玻璃10与石英介质板9接触的一面镀有氧化铟锡薄膜，用于导电作为上电极，该石英介质板9为上介质板；透明导电玻璃10的导电面上粘有导电铜箔，导电铜箔作为连接电极的接口，用来接外界纳秒脉冲电源的高压端。

所述的下电极为方形铝箔11，方形铝箔11的四个顶角为弧形，用于避免尖端放电。方形铝箔11粘在下方石英介质板9的下表面，并且用绝缘胶带贴在铝箔11的周围，为了防止边缘效应对放电的不利影响，该石英介质板9为下介质板。下电极粘有铝箔条，作为接地电极，与纳秒脉冲电源的地线连接。

上、下两个介质板9和固定板12的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母1拧紧，上、下两个介质板之间放置垫片2。所述的垫片2为云母片、石英片和尼龙片等绝缘片。上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙通过垫片2的个数进行调整。放电间隙在1-15mm可调。

所述的金属柱5与放电间隙等高度，放置于放电间隙之间；通过上下两个介质板9夹紧固定。金属柱5的高度根据放电间隙的高度确定。所述的金属柱5材质为不锈钢。所述的金属杆8材质为铜。

所述的风道系统放置于装置整个装置的侧面，用于向放电间隙引入气流。所述的纳秒脉冲电源的电压幅值根据放电间隙确定。所述的脉冲电源的电压幅值是20～40kV。

采用上述装置得到大气压下，大间隙、大面积的空气均匀介质阻挡放电等离子体的使用方法，包括以下步骤：

第一步，将实验装置固定好之后，调整风道系统的高度，使宽度为4mm风口在放电装置的一侧，调整风口在放电间隙的中间，气流的方向平行于上、下电极。

第二步，连接电路。上电极连接纳秒脉冲电源的高压端，下电极接地连接纳秒脉冲电源的接地端。

第三步，设定纳秒脉冲的重复频率和气体流动速度。脉冲重复频率可调节范围为1200Hz，1000Hz，600Hz，300Hz和100Hz。气体流动速度可调节范围为5m/s-260m/s。

第四步，大气压下空气中，启动脉冲电源，在放电间隙产生放电。再打开风道系统，向放电间隙引入固定风速的空气流，得到大间隙、大面积的空气均匀介质阻挡放电等离子体，在空气中能够实现5-10mm的均匀放电。人为的拍摄放电图像作为实验现象保存，待实验结束后，根据数码照相机拍摄的图片中每个条件选取一张作为放电图像，分析均匀放电形成的物理机制。

采用上述装置得到大气压下，大间隙，大面积的空气均匀介质阻挡放电等离子体。通过这种装置和方法，目前本发明使用的幅值最大是40kV，上升沿是40ns，半峰宽是200ns的纳秒脉冲电压可以达到10mm空气间隙的均匀放电，这一发明是现有介质阻挡放电实验研究进展的一项突破，攻克了在空气间隙大于5mm时，不能实现空气均匀放电的一大难题。

因此，这项发明在工业应用领域具有很大的应用价值，会受到很大的关注。

而在本发明的基础上，在空气中实现更大面积均匀放电也有相对应的方法：通过在放电间隙加入多根金属柱，加入多根金属柱不会影响其实验的结果，即不会影响均匀放电的产生，但可以通过在放电间隙加入多根金属柱,并且调节金属柱之间的距离可以扩大均匀放电产生的面积。因此通过本发明可以实现在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体。本发明的另外一个优点是实验中产生这种均匀放电的条件并不苛刻，与金属柱在放电空间的位置无关，与金属柱的粗细无关，需要的气流的速度也不高，目前只要5m/s就能产生这种均匀放电，并且在5m/s-260m/s范围内，这种均匀放电不会随着气流的速度的改变而改变。因此,本发明工业领域比如材料的表面处理、臭氧的产生、杀菌消毒、环境保护等方面具有很大的应用价值。

本发明的有益效果为：本发明能实现在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体，将气流和金属柱同时使用，发挥其各自的作用，形成一种可以在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀介质阻挡放电等离子体。此方法对实现大气压空气均匀放电提供了一种途径，对工业应用领域具有意义。

附图说明

图1为对称金属平板电极装置的正视图；

图2为对称金属平板电极装置的俯视图；

图3为透明平板电极装置的正视图；

图4为透明平板电极装置的俯视图；

图5为放电装置电路连接示意图；

图中：1尼龙螺母；2垫片；3圆形铜板电极；4云母介质板；5金属柱；6尼龙块；7金属螺母；8金属杆；9石英介质板；10镀有氧化铟锡薄膜的透明玻璃；11铝箔电极；12固定板。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。

一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，该装置包括上电极，上介质板，下电极，下介质板，金属柱，风道系统和纳秒脉冲电源。装置具有两种结构形式，能够得到相同的实验现象。

第一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源；其中上、下电极结构对称。

上、下电极为两个相互平行的圆形铜板3，均被镶嵌在上下两个立方体尼龙块6的圆形凹槽中。上介质板、下介质板为结构尺寸相同的云母板4，一个云母板4通过导电胶粘在上电极的下表面，另一个云母板4通过导电胶粘在下电极的上表面。上、下两个尼龙块6的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆的两端通过尼龙螺母1拧紧，上、下两个尼龙块6之间通过放置具有精确厚度1mm或者2mm的云母片2的个数来调节放电间隙的高度。上、下介质板之间的距离为放电间隙，调节放电间隙为8mm。将与放电间隙等高度的不锈钢金属柱5置于放电间隙之间，通过上下两个云母板4夹紧固定。每个尼龙块6中心有一个圆柱孔，圆形铜板3中部连接的金属杆8通过该圆柱孔与外部的纳秒脉冲电源连接，金属杆8与纳秒脉冲电源的连线通过金属螺母7固定；上电极与纳秒脉冲电源高压端连接，下电极与纳秒脉冲电源接地端连接。将风道系统放置于整个装置的侧面，调整风道系统风口的高度使风口在放电间隙的中心，便于向放电间隙引入气流。

第二种产生大间隙、大面积的空气均匀等离子体的装置包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源。

上电极为透明导电玻璃10，透明导电玻璃10被上方的起固定作用的石英板12和下方石英介质板9夹紧固定。透明导电玻璃10与下方石英介质板9接触的一面镀有氧化铟锡薄膜，用于导电作为上电极，该石英介质板9为上介质板；在透明导电玻璃10的导电面的一端粘有导电铜箔，导电铜箔作为连接电极的接口，用来接外界纳秒脉冲电源的高压端。

下电极为方形铝箔11，将方形铝箔11的四个顶角剪为弧形，用于避免尖端放电。方形铝箔11粘在下方石英介质板9的下表面，并且用绝缘胶带贴在铝箔11的周围，为了防止边缘效应对放电的不利影响，在下表面粘有铝箔的石英介质板9为下介质板。下电极粘有铝箔条，作为接地电极，与纳秒脉冲电源的地线连接。

作为上、下两个介质板9和固定板12的三个石英板的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母1拧紧，上、下两个介质板之间放置具有精确厚度1mm或者2mm的云母片2的个数来调节放电间隙的高度。上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙调整为8mm。将与放电间隙等高度的不锈钢金属柱5置于放电间隙之间，通过上下两个作为介质的石英板9夹紧固定。将风道系统放置于整个装置的侧面，调整风道系统风口的高度使风口在放电间隙的中心，便于向放电间隙引入气流。

采用上述装置得到大气压下，大间隙、大面积的空气均匀等离子体的方法，包括以下步骤：

第一步，将实验装置固定好之后，调整风道系统的高度，使宽度为4mm风口在放电装置的一侧，调整风口在放电间隙的中间，气流的方向平行于上下电极。

第二步，连接电路。上电极连接纳秒脉冲电源的高压端，下电极接地。

第三步，调节纳秒脉冲电源的电压幅值为35kV，选择纳秒脉冲重复频率为1000Hz和气体流动速度5m/s。

第四步，大气压下，启动脉冲电源，在放电间隙开始放电。再打开风道系统，向放电间隙引入5m/s的空气流，得到大间隙、大面积的空气均匀等离子体，在空气中能够实现8mm的均匀放电。人为的拍摄放电图像作为实验现象保存，待实验结束后，在数码照相机拍摄的图片中每个条件选取一张作为放电图像，分析均匀放电形成的物理机制。

第五步，调整实验装置，将放电间隙加入两根等高度的金属柱，其直径分别为1mm和5mm，重复上述步骤，发现也得到了大气压空气中均匀放电等离子体。

产生的这种大气压空气中均匀放电等离子体的结构：从透明电极俯视图上来看，形成了以金属柱为中心的对称的放电图像。金属柱的位置在上下介质板的表面会发生面放电，在面放电的外围存在小环形的暗区，在暗区的外围存在着较亮的小环形均匀放电区域，再往外即是在亮度稍暗的大面积的均匀放电的区域。

采用上述装置得到大气压空气中大间隙、大面积均匀介质阻挡放电等离子体的一个优点是实验条件并不苛刻。在典型具有上电极、上介质板、下电极和下介质板的介质阻挡放电装置的放电间隙插入一根金属柱，加入空气流速就可以实现大气压空气一定面积均匀的放电等离子体。实验结构简单，不需要密闭的工作腔室，而且与金属柱在放电空间的位置无关，与金属柱的粗细无关，需要的气流的速度也不高，目前只要5m/s就能产生这种均匀放电，并且在5m/s-260m/s范围内，这种均匀放电不会随着气流的速度的改变而改变。

在此基础上，在空气中实现更大面积均匀放电也有相对应的方法：通过在放电间隙加入多根金属柱，加入多根金属柱不会影响其实验的结果，即不会影响均匀放电的产生，但可以通过在放电间隙加入多根金属柱而扩大均匀放电产生的面积。因此通过本发明可以实现在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体。

Claims (10)

1.一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，其特征在于，该装置能够在空气中实现5-10mm的均匀放电，包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源；其中，上、下电极结构对称；

所述的上、下电极为两个相互平行的圆形铜板(3)，圆形铜板(3)被镶嵌在上下两个立方体尼龙块(6)的圆形凹槽中；上电极与纳秒脉冲电源高压端连接，下电极与纳秒脉冲电源接地端连接；每个尼龙块(6)的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆的两端通过尼龙螺母(1)拧紧；每个尼龙块(6)中心有一个圆柱孔，圆形铜板(3)中部连接的金属杆(8)通过该圆柱孔与外部的纳秒脉冲电源连接，金属杆(8)与纳秒脉冲电源的连线通过金属螺母(7)固定；上、下两个尼龙块(6)的两端通过放置垫片(2)产生间隙；

所述的上介质板、下介质板为结构尺寸均相同的云母板(4)，一个云母板(4)通过导电胶粘在上电极的下表面，另一个云母板(4)通过导电胶粘在下电极的上表面；上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙为1-15mm，通过垫片(2)调整；

所述的金属柱(5)与放电间隙等高度，放置于放电间隙之间，通过上下两个云母板(4)夹紧固定；

所述的风道系统放置于整个装置侧面，用于向放电间隙引入气流。

2.一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，其特征在于，该装置能够在空气中实现5-10mm的均匀放电，包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源；上、下电极结构不对称；

所述的上电极为透明导电玻璃(10)，上方固定板(12)和下方石英介质板(9)夹紧固定透明导电玻璃(10)；固定板(12)为非导电材质；所述的透明导电玻璃(10)与石英介质板(9)接触的一面镀有氧化铟锡薄膜，作为上电极，用于导电，该石英介质板(9)为上介质板；透明导电玻璃(10)的导电面上粘有导电铜箔，导电铜箔作为连接电极的接口，用来接外界纳秒脉冲电源的高压端；

所述的下电极为方形铝箔(11)，方形铝箔(11)的四个顶角为弧形，用于避免尖端放电；方形铝箔(11)粘在下方石英介质板(9)的下表面，并且用绝缘胶带贴在方形铝箔(11)的周围，防止边缘效应，该石英介质板(9)为下介质板；下电极粘有铝箔条，作为接地电极，与纳秒脉冲电源的地线连接；

上、下两个石英介质板(9)和固定板(12)的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母(1)拧紧，上、下两个介质板之间放置垫片(2)；上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙为1～15mm，通过垫片(2)进行调整；

所述的金属柱(5)与放电间隙等高度，放置于放电间隙之间；通过上下两个石英介质板(9)夹紧固定。

3.根据权利要求1所述的一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，其特征在于，所述的脉冲电源的电压幅值是20～40kV。

4.根据权利要求1所述的一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，其特征在于，所述的垫片(2)为云母片、石英片或尼龙片；所述的金属柱(5)材质为不锈钢；所述的金属杆(8)材质为铜。

5.根据权利要求2所述的一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，其特征在于，所述的脉冲电源的电压幅值是20～40kV。

6.根据权利要求2所述的一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体的装置，其特征在于，所述的垫片(2)为云母片、石英片或尼龙片；所述的金属柱(5)材质为不锈钢；所述的金属杆(8)材质为铜。

7.使用权利要求1或3或4任一所述的装置得到大气压下，大间隙、大面积的空气均匀等离子体的方法，其特征在于以下步骤：

第一步，将装置固定好，调整风道系统的高度，使宽度为4mm风口在放电装置的一侧，调整风口在放电间隙的中间，气流的方向平行于上、下电极；

第二步，连接电路；上电极连接纳秒脉冲电源的高压端，下电极接地；

第三步，设定纳秒脉冲的重复频率和气体流动速度；

第四步，大气压下，启动脉冲电源，在放电间隙开始放电；再打开风道系统，向放电间隙引入固定风速的空气流，得到大间隙、大面积的空气均匀等离子体，在空气中实现5～10mm的均匀放电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的纳秒脉冲的重复频率为1200Hz，1000Hz，600Hz，300Hz和100Hz；气体流动速度为5m/s-260m/s。

9.使用权利要求2或5或6任一所述的装置得到大气压下，大间隙、大面积的空气均匀等离子体的方法，其特征在于以下步骤：

第一步，将装置固定好，调整风道系统的高度，使宽度为4mm风口在放电装置的一侧，调整风口在放电间隙的中间，气流的方向平行于上、下电极；

第二步，连接电路；上电极连接纳秒脉冲电源的高压端，下电极接地；

第三步，设定纳秒脉冲的重复频率和气体流动速度；脉冲重复频率为1200Hz，1000Hz，600Hz，300Hz和100Hz；气体流动速度为5m/s-260m/s；

第四步，大气压下，启动脉冲电源，在放电间隙开始放电；再打开风道系统，向放电间隙引入固定风速的空气流，得到大间隙、大面积的空气均匀等离子体，在空气中实现5～10mm的均匀放电。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的纳秒脉冲的重复频率为1200Hz，1000Hz，600Hz，300Hz和100Hz；气体流动速度为5m/s-260m/s。