CN107295740A - 一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法，利用高压谐振电源的恒流特性维持稳定的丝状弥散大气压下辉光放电，利用横向外施磁场对等离子体中导电微粒的洛伦兹力作用，使得稳定的丝状弥散大气压下辉光放电在长直径同轴环电极放电间隙中均匀扩散，产生大体积均匀的大气压下辉光放电。本发明无需借助介质阻挡及回路镇流大电阻等耗能元件，并且无须使用真空设备便可获得大体积均匀的大气压下辉光放电，其能量效率高，为大气压下辉光放电在工业领域的应用奠定了基础。

Description

一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法

技术领域

本发明属于大气压下辉光放电产生技术领域，特别涉及一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法。

背景技术

辉光放电等离子体广泛用于表面改性、臭氧合成、废气处理和电光源等领域。当前工业应用的辉光放电多数在低气压条件下产生，需使用昂贵的真空设备，应用成本较高。

相比而言，大气压下辉光放电具有放电均匀、功率密度适中等特点，这种放电形式产生的低温非平衡等离子体具有非常优越的物理化学性质，具有很好的工业应用前景。国际上对大气压下辉光放电开展了大量的实验研究，当前可产生大气压下辉光放电的技术主要有介质阻挡放电和大电阻镇流的直流辉光放电等。介质阻挡放电使用交流电源，放电电极之间必须放置介质板，其放电多为细丝状，对材料本身损害较大；大电阻镇流的直流辉光放电使用高压直流电源，放电回路中需采用大电阻镇流，以防止辉光放电转化为电弧放电，这一过程中镇流电阻将会消耗大量的能量，电路效率较低。将大气压下辉光放电这种性能优越的低温等离子体能否广泛应用于工业领域的关键在于能否得到大体积均匀的大气压下辉光放电。而这两种大气压下辉光放电的产生方式目前只是实现了几个毫米范围放电间隙中的均匀辉光放电，限制了大气压下辉光放电在工业领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法，本发明利用外施横向磁场对高压谐振电源产生的稳定丝状大气压下辉光放电，在同轴电极装置的放电间隙中，产生了直径30mm圆周范围内的大体积均匀辉光放电。

本发明通过如下技术方案实现，一种产生均匀大气压下辉光放电的装置，包括调压整流回路、高频逆变回路、谐振回路、电极装置和外施磁场，所述调压整流回路与高频逆变回路连接，高频逆变回路与谐振回路连接，所述谐振回路与电极装置连接，所述外施磁场垂直设置于电极装置的下方，所述调压整流回路、高频逆变回路、谐振回路构成高压谐振电源。

所述调压整流回路包括调压器、整流桥和稳压电容，调压器的输出端连接整流桥的输入端，整流桥的输出端与稳压电容连接；

所述高频逆变回路包括串联的第一电容和第二电容、串联的第一MOSFET和第二MOSFET；串联的第一电容和第二电容与串联的第一MOSFET和第二MOSFET并联连接；

所述谐振回路包括第一电感、第二电感、第三电容和脉冲变压器原边电感，所述第一电感与第一电容、第二电容的等效电容串联连接，所述第二电感和第三电容串联连接后与脉冲变压器原边电感并联连接。

所述调压整流回路用于产生幅值可调的稳定直流电压；高频逆变回路将直流电压逆变为频率从几千到上百千赫兹可调的方波；谐振回路将方波电压变为高频高压正弦交流电压，并且维持负载电流稳定。

所述电极装置为尖-环同轴电极，包括连接高压源的阳极尖电极和接地的阴极环电极，其结构为同轴形式；阳极尖电极与谐振回路连接。

所述阳极尖电极和阴极环电极的同轴空气间隙构成放电间隙。

所述阳极尖电极和阴极环电极的尺寸参数可根据实际需求进行调节，所述尺寸参数包括：阳极尖电极的长短、尖端锥度尺寸，阴极环电极的厚度及内外径大小，阳极尖电极尖端到阴极环电极上平面的垂直距离。

所述阴极环电极可选用内径为10～30mm的环电极。

所述外施磁场由永磁体提供，永磁体垂直设置于阴极环电极的下方。

所述永磁体和阴极环电极之间放置一块绝缘介质板，用于减小永磁体本身对放电间隙电场分布的影响，通过改变所述绝缘介质板的厚度可以在一定范围内改变磁场强度的大小。

一种产生均匀大气压下辉光放电的方法，包括如下步骤：

S100.通过计算确定谐振回路中第一电感、第二电感、第三电容的参数，从而确定高压谐振电源的输出电压频率，在较低的输入电压下，当其输出电流突增且为最大时高压谐振电源处于谐振状态；

S200.在谐振状态下，通过调节调压器增大电源的输入电压幅值直至尖-环同轴电极间发生放电；

S300.尖-环同轴电极放电产生的高能电子和正离子在电场力和磁场洛伦兹力的作用下在放电间隙中高速偏转，使丝状大气压下辉光放电在整个放电间隙扩散开，得到阴极环电极整个同轴圆周范围内的大体积均匀大气压下辉光放电。

所述方法通过调节电源的输入电压、电源的谐振频率、磁场强度或改变尖-环同轴电极的尺寸可得到不同密度分布及不同体积大小的均匀大气压下辉光放电。

本发明与现有技术相比，采用如上技术方案带来的有益技术效果是：

本发明无须使用真空设备便可获得大体积均匀辉光放电，可大大降低应用成本。利用高压谐振电源的恒流特性维持稳定的丝状弥散大气压下辉光放电，利用横向外施磁场对等离子体中导电微粒的洛伦兹力作用，使得稳定的丝状弥散大气压下辉光放电在长直径同轴环电极放电间隙中均匀扩散，产生大体积均匀的大气压下辉光放电，这种大体积均匀的辉光放电具有很广阔的工业应用前景。本发明无需借助介质阻挡及回路镇流大电阻等耗能元件，故相较于大电阻镇流方式的直流辉光产生方法其能量效率要高得多，为大气压下辉光放电在工业领域的应用奠定了基础。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明中的尖-环同轴电极、永磁体与介质板之间的结构示意图；

图3为本发明在曝光时间1/20s下拍摄的放电图像实施效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种产生均匀大气压下辉光放电的装置，包括调压整流回路1、高频逆变回路2、谐振回路3、电极装置4和外施磁场，调压整流回路1与高频逆变回路2连接，高频逆变回路2与谐振回路3连接，谐振回路3与电极装置4连接，外施磁场垂直设置于电极装置4的下方。调压整流回路1、高频逆变回路2、谐振回路3构成高压谐振电源。

调压整流回路1包括调压器101、整流桥102和稳压电容103，调压器101的输出端连接整流桥102的输入端，整流桥102的输出端与稳压电容103连接。高频逆变回路2包括串联的第一电容201和第二电容202、串联的第一MOSFET203和第二MOSFET204；串联的第一电容201和第二电容202与串联的第一MOSFET203和第二MOSFET204并联连接。谐振回路3包括第一电感301、第二电感302、第三电容303和脉冲变压器304原边电感。第一电感301与第一电容201、第二电容202的等效电容串联连接；第二电感302和第三电容303串联连接后与脉冲变压器304原边电感并联连接。

调压整流回路1用于产生幅值可调的稳定直流电压，高频逆变回路2将直流电压逆变为频率从几千到上百千赫兹可调的方波，谐振回路3将方波电压变为高频高压正弦交流电压，并且维持负载电流稳定。它的原理是利用谐振回路3中的电感电容的匹配达到串联谐振，谐振得到的高频交变电压通过从脉冲变压器的原边升高到数十千伏的高频高压正弦交流电压，高压谐振电源最终的输出电流受谐振点的制约并维持恒定。

这种谐振恒流源通过调压器101的调节可输出0～30kV范围的高频交变电压，通过第一电感301、第二电感302、第三电容303的参数配合可以使频率在10kHz～100kHz可调。由于是利用谐振恒流原理，所以放电电流可以被有效限制在毫安级，从而阻止电子崩的过度发展，最终驱动稳定的丝状大气压下辉光放电。

如图2所示，电极装置4为尖-环同轴电极，包括连接高压源的阳极尖电极401和接地的阴极环电极402，其结构为同轴形式，该结构在外施磁场作用下可实现阴极环电极整个圆周范围内大体积均匀辉光放电。

进一步的，阴极环电极402可选用内径为10～30mm的环电极，可实现直径10～30mm圆周范围内大体积均匀大气压下辉光放电的产生，较目前其它只能在几个毫米范围内得到均匀大气压下辉光放电方式有了很大的突破。

进一步的，阳极尖电极401与谐振回路3连接，谐振回路将高压谐振电源输出的高频高压正弦交流电压经过二极管305整流后连接阳极尖电极401。

进一步的，阳极尖电极的长短、尖端锥度尺寸，阴极环电极的厚度及内外径大小，阳极尖电极尖端到阴极环电极上平面的垂直距离，这些参数可根据实际需求进行调节。

进一步的，外施磁场由永磁体404提供，永磁体404垂直设置于阴极环电极402的下方，永磁体404和阴极环电极402之间放置一块绝缘介质板403，用于减小永磁体本身对放电间隙电场分布的影响。阳极尖电极401和阴极环电极402的同轴空气间隙构成放电间隙405，放电间隙405处于由永磁体404提供的均匀磁场中。通过改变绝缘介质板403的厚度可以在一定范围内改变磁场强度的大小。

本发明是利用高频谐振恒流源在大气压条件下产生稳定的丝状弥散辉光放电，因为施加了一个利用永磁材料产生的垂直于放电间隙的静磁场，放电间隙中的高能电子和正离子在电场力和洛伦兹力的作用下发生高速偏转，致使辉光放电在整个放电间隙扩散开，从而得到整个同轴圆周范围内的大体积均匀辉光放电，步骤如下：

S100.通过计算确定谐振回路3中第一电感301、第二电感302、第三电容303的参数，从而确定高压谐振电源的输出电压频率，在较低的输入电压下，当其输出电流突增且为最大时高压谐振电源处于谐振状态；

S200.在谐振状态下，通过调节调压器101增大电源的输入电压幅值直至尖-环同轴电极间发生放电；

S300.尖-环同轴电极放电产生的高能电子和正离子在电场力和磁场洛伦兹力的作用下在放电间隙405中高速偏转，使丝状大气压下辉光放电在整个放电间隙扩散开，得到阴极环电极整个同轴圆周范围内的大体积均匀大气压下辉光放电。

进一步的，通过调节电源的输入电压、电源的谐振频率、磁场强度或改变尖-环同轴电极的尺寸可得到不同密度分布及不同体积大小的均匀大气压下辉光放电。图3为一张曝光时间1/20s下拍摄的放电图像，从图中可以清楚看到放电间隙中的均匀大气压下辉光放电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不能因此而理解为对本发明范围的限制，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种产生均匀大气压下辉光放电的装置，其特征在于：

所述装置包括调压整流回路(1)、高频逆变回路(2)、谐振回路(3)、电极装置(4)和外施磁场，所述调压整流回路(1)与高频逆变回路(2)连接，高频逆变回路(2)与谐振回路(3)连接，所述谐振回路(3)与电极装置(4)连接，所述外施磁场垂直设置于电极装置(4)的下方，所述调压整流回路(1)、高频逆变回路(2)、谐振回路(3)构成高压谐振电源。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，优选的，

所述调压整流回路(1)包括调压器(101)、整流桥(102)和稳压电容(103)，调压器(101)的输出端连接整流桥(102)的输入端，整流桥(102)的输出端与稳压电容(103)连接；

所述高频逆变回路(2)包括串联的第一电容(201)和第二电容(202)、串联的第一MOSFET(203)和第二MOSFET(204)；串联的第一电容(201)和第二电容(202)与串联的第一MOSFET(203)和第二MOSFET(204)并联连接；

所述谐振回路(3)包括第一电感(301)、第二电感(302)、第三电容(303)和脉冲变压器(304)原边电感，所述第一电感(301)与第一电容(201)、第二电容(202)的等效电容串联连接，所述第二电感(302)和第三电容(303)串联连接后与脉冲变压器(304)原边电感并联连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述调压整流回路(1)用于产生幅值可调的稳定直流电压；高频逆变回路(2)将直流电压逆变为频率从几千到上百千赫兹可调的方波；谐振回路(3)将方波电压变为高频高压正弦交流电压，并且维持负载电流稳定。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述电极装置(4)为尖-环同轴电极，包括连接高压源的阳极尖电极(401)和接地的阴极环电极(402)，其结构为同轴形式；所述阳极尖电极(401)与谐振回路(3)连接；

所述阳极尖电极(401)和阴极环电极(402)的同轴空气间隙构成放电间隙(405)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述阳极尖电极(401)和阴极环电极(402)的尺寸参数可根据实际需求进行调节，所述尺寸参数包括：阳极尖电极的长短、尖端锥度尺寸，阴极环电极的厚度及内外径大小，阳极尖电极尖端到阴极环电极上平面的垂直距离。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述阴极环电极(402)可选用内径为10～30mm的环电极。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述外施磁场由永磁体(404)提供，永磁体(404)垂直设置于阴极环电极(402)的下方。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述永磁体(404)和阴极环电极(402)之间放置一块绝缘介质板(403)，用于减小永磁体本身对放电间隙电场分布的影响，通过改变所述绝缘介质板的厚度可以在一定范围内改变磁场强度的大小。

9.一种根据权利要求1至8任一项所述装置产生均匀大气压下辉光放电的方法，包括如下步骤：

S100.通过计算确定谐振回路(3)中第一电感(301)、第二电感(302)、第三电容(303)的参数，从而确定高压谐振电源的输出电压频率，在较低的输入电压下，当其输出电流突增且为最大时高压谐振电源处于谐振状态；

S200.在谐振状态下，通过调节调压器(101)增大电源的输入电压幅值直至尖-环同轴电极间发生放电；

S300.尖-环同轴电极放电产生的高能电子和正离子在电场力和磁场洛伦兹力的作用下在放电间隙(405)中高速偏转，使丝状大气压下辉光放电在整个放电间隙扩散开，得到阴极环电极整个同轴圆周范围内的大体积均匀大气压下辉光放电。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述方法通过调节电源的输入电压、电源的谐振频率、磁场强度或改变尖-环同轴电极的尺寸可得到不同密度分布及不同体积大小的均匀大气压下辉光放电。