CN107864544B - 一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，包括聚四氟乙烯支架，该聚四氟乙烯支架的底部中心处自下而上依次设置有磁性接地电极、微孔陶瓷和磁性悬浮电极，该聚四氟乙烯支架的顶部中心处自上而下依次设置有高压电极和氧化铝陶瓷阻挡介质；其中，磁性悬浮电极和氧化铝陶瓷阻挡介质之间留有间隙。工作时，交流电源驱动下，本发明将产生由多点到面的负极性弥散放电，高压侧成为瞬态阴极，可聚集大量活性粒子。本发明通过在阻挡介质表面设置磁性铁粉末，在阻挡介质表面制造大量三结合点，获得弥散放电等离子体；放电过热时，铁粉可熔化带走热量保护阻挡介质材料。本发明可作为薄膜、绝缘子等材料表面改性方面的等离子体发生装置。
Description
技术领域
本发明属于气体放电技术领域，具体涉及一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置。
背景技术
非平衡放电等离子体含有大量高化学活性粒子，广泛地应用于臭氧制备、材料表面沉积和材料表面改性等众多领域，且在生物医学、航天推进器和环境保护等领域有着广阔的应用前景。非平衡放电等离子体应用中，研发稳定、适应性强的非平衡等离子体源是至关重要的，处于非平衡放电等离子体相关技术领域的基础地位。
在等离子体材料表面沉积和改性领域，传统的非平衡放电等离子体源通常依赖于低气压维持系统，以使等离子体工作于弥散或均匀状态。该类型非平衡等离子体源生产成本较高，且难以应用于生物医学等领域，适应能力较差。大气压非平衡放电等离子体源可在开放气体氛围中产生，具有较低的生产成本和更宽广的应用前景。然而，迄今为止，研究人员仅能在少量惰性气体及其混合气体中获得稳定的大面积均匀或弥散放电。在空气等击穿场强较高的气体中则往往表现为能量集中的流注型放电细丝，处理不均匀，且极易灼伤被处理材料，这极大限制了大气压非平衡放电等离子体的应用。因此，实现稳定的弥散或均匀大气压非平衡放电等离子体源一直是国内外的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其能够综合利用介质阻挡放电与弥散电晕放电的优势，在大气压空气中产生弥散、高活性放电等离子体。同时，又可防止放电导致的阻挡介质过热等不利于等离子体发生器稳定性的因素。能够用于等离子体材料改性等方面的应用与实验研究。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案予以实现：
一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，包括聚四氟乙烯支架，该聚四氟乙烯支架的底部中心处自下而上依次设置有磁性接地电极、微孔陶瓷和磁性悬浮电极，该聚四氟乙烯支架的顶部中心处自上而下依次设置有高压电极和氧化铝陶瓷阻挡介质；其中，
磁性悬浮电极和氧化铝陶瓷阻挡介质之间留有间隙，该间隙取值为5～20mm；
工作时，高压电极接高电压交流电源，磁性接地电极接地，在高电压交流电源作用下，放电等离子体将在氧化铝陶瓷阻挡介质与磁性悬浮电极之间产生。
本发明进一步的改进在于，聚四氟乙烯支架包括自下而上平行设置的底板和顶板，该底板的中心处设置有中心支撑柱，底板和顶板之间的两侧各设置有第一支撑柱和第二支撑柱，其中，
磁性接地电极、微孔陶瓷和磁性悬浮电极自下而上依次设置在中心支撑柱上，高压电极和氧化铝陶瓷阻挡介质自上而下依次设置在的底部。
本发明进一步的改进在于，顶板上设置有穿过其的第三支撑柱和第四支撑柱，第三支撑柱和第四支撑柱的底部均通过吸盘与氧化铝陶瓷阻挡介质贴合。
本发明进一步的改进在于，还包括套装在第三支撑柱和第四支撑柱的两个弹簧，两个弹簧均呈拉伸状态，使得氧化铝陶瓷阻挡介质与高压电极贴紧。
本发明进一步的改进在于，还包括两个穿过顶板的螺旋微测头，两个螺旋微测头的底部分别设置在第一支撑柱和第二支撑柱上，通过旋转两个螺旋微测头进而调节磁性悬浮电极和氧化铝陶瓷阻挡介质之间的间隙距离。
本发明进一步的改进在于，螺旋微测头的调节总行程为50mm，调节精度为0.01mm。
本发明进一步的改进在于，氧化铝陶瓷阻挡介质包括上层为1mm厚表面光滑的氧化铝陶瓷片，以及下层为5mm厚的微孔陶瓷。
本发明进一步的改进在于，磁性悬浮电极由微米级磁性铁粉末构成，平均厚度为1mm，并通过磁性接地电极吸附于地电极侧，呈毛刺状。
本发明进一步的改进在于，高压电极由三个圆片形金属构成，中间位置圆片形金属直径大于两端圆片形金属直径；地电极由四片N52型钕铁硼磁铁构成，共有两种直径，且两种直径的N52型钕铁硼磁铁上下间隔设置。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
本发明提供的磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，结构紧凑，可调整介质阻挡放电类型，获得稳定的弥散放电等离子体。具体来说，高压电极与接地电极圆心轴在同一直线，微米级铁粉均匀布置于微孔陶瓷表面，并通过磁性接地电极吸附，构成磁性悬浮电极；吸盘型高压电极支柱与支架单元通过螺母和弹簧连接，通过调节螺母位置可调节弹簧拉伸程度，使高压侧氧化铝陶瓷板不处于变形状态且与高压电极紧密贴合的状态；微孔陶瓷直接平放于接地磁性电极表面；螺旋微侧头与支架胶合，可调节放电间隙宽度，配合电源调控装置工作状态；高压电源通过插入式接头与高压电极连接，可避免高压侧局部放电引起的电能损失，接地接头通过螺母与接地接线柱相连。
进一步，通过螺旋微测头以0.01mm精度调节气隙宽度与氧化铝陶瓷阻挡介质与微孔陶瓷的平行度。两者皆可保障装置工作于电晕弥散放电状态。
进一步，氧化铝陶瓷阻挡介质具有高耐热特性，微孔陶瓷具有解离放电通道作用，可提高装置整体热稳定性和暂态运行安全性。
进一步，磁性微米级铁粉末经磁铁吸附于接地侧微孔陶瓷表面，并使其呈毛刺状，且不易剥离微孔陶瓷表面。磁性悬浮电极的存在降低了等间距平行平板型介质阻挡放电工作电压，有利于降低设备绝缘要求，保障人员安全。利用毛刺金属尖端和铁粉-空气-氧化铝陶瓷三结合点形成的局部强电场产生弥散状电晕放电，并利用磁铁形成的恒磁场一定程度上增加空间中电子与分子的碰撞几率，增加电子密度，提高放电稳定性，利用悬浮电极对气隙电场的增强作用与上述局部强电场，降低平行平板型介质阻挡放电工作电压，金属铁粉热导率高，且可吸收放电产生的多余热量并融化，经周围铁粉带走热量，从而避免氧化铝陶瓷阻挡介质和微孔陶瓷过热。
进一步，接地电极采用双尺寸磁铁，避免了单一尺寸磁铁边缘磁性较强而降低铁粉分布均匀度；高压电极采用中间较大面积圆而两端较小面积圆的三层电极，可有效降低高压电极与氧化铝陶瓷阻挡介质接触边缘三结合点电场强度，避免边缘电晕放电引起氧化铝陶瓷阻挡介质老化和额外电能损耗。
综上所述，本发明可实现大气压空气平行平板型介质阻挡细丝放电和弥散模式之间的转化，获得稳定的电晕弥散放电等离子体，避免放电细丝灼伤被处理对象，且成本低廉；通过拓展磁性铁粉、高压电极和接地电极的面积，可较容易获得大面积电晕弥散放电等离子体；此外，高精度灵活调节放电间隙宽度，保障装置工作于电晕弥散放电状态，且可在电源失控情况下，通过拉长气隙终止放电，避免进一步设备与人员损失。
附图说明
图1为磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置的接线示意图。
图中：1-高压电极；2-磁性接地电极；3-磁性悬浮电极；4-氧化铝陶瓷阻挡介质；5-聚四氟乙烯支架；6-螺旋微测头；7-弹簧；8-微孔陶瓷。
图2为磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置处于稳定弥散放电工作状态的图像。
图3为磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置处于稳定弥散放电工作状态的电流电压波形。
图4为磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置处于不稳定弥散放电工作状态的图像。
图5为磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置处于不稳定弥散放电工作状态的电流电压波形。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。
参照图1，本发明提供的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，包括高压电极1和磁性接地电极2，其中，高压电极1接高电压交流电源，磁性接地电极2接地；两个电极分别覆盖1mm厚表面光滑的氧化铝陶瓷阻挡介质和5mm厚的微孔陶瓷；在接地侧微孔陶瓷8的气隙侧表面覆盖有1mm厚度的磁性悬浮电极3。整个电极结构由聚四氟乙烯支架5支撑，高压侧的氧化铝陶瓷阻挡介质4通过吸盘配合弹簧7紧贴于高压电极1表面。50mm行程的螺旋微测头6作为高压电极支撑柱和放电气隙调节装置。
其中，高压电极1为三个圆片形金属构成，中间位置圆片直径大于两端圆片直径。磁性接地电极2由四片N52型钕铁硼磁铁构成，共有两种直径。磁性悬浮电极3为微米级磁性铁粉末，平均厚度为1mm，并通过磁性接地电极吸附，呈毛刺状。高压侧氧化铝陶瓷阻挡介质4通过吸盘配合呈拉伸状态的弹簧7紧贴于高压电极表面。高压电极侧聚四氟乙烯支撑架5经螺旋微测头6支撑，并调整位置，调节范围为5～20mm，实际工作区间取决于驱动电源容量。
工作时，在高电压交流电源作用下，放电等离子体将在氧化铝陶瓷阻挡介质4与磁性悬浮电极3之间产生。通过调节螺旋微测头6改变气体间隙距离，可使放电从细丝放电状态转变为弥散放电状态，从而产生弥散低温放电等离子体，处理对象可以置于氧化铝陶瓷阻挡介质侧。微米级铁粉末可以渗入微孔陶瓷表面，并通过磁铁赋予磁性，形成尖端，造成局部电场集中，且铁粉/陶瓷/空气具有多个结合点，形成强烈的局部电场畸变，易形成电晕类型的弥散放电，适用于薄膜类材料的表面改性及平面材料(如水平液面等)的处理。
实施例：
本发明的装置总体尺寸约为200×150×50mm，包括一个聚四氟乙烯支架，高压电极为直径20～50mm可更换电极，磁性接地电极为直径10～30mm可更换层叠式永磁铁，用以产生磁场，并吸附微孔陶瓷表面铁粉。使用时，将高压电极接正弦交流高压电源，下部磁性接地电极接地，工作电压波形为正弦波，频率10～100kHz，工作间隙宽度5～20mm，视工作间隙宽度不同，电压幅值在5.0～16.0kV可调。
参见图2和图3，可见装置工作于稳定弥散放电状态，具有多处倒三角形弥散放电，该工作状态对应气体间隙6mm，电压频率20kHz，幅值11.4kV，电流呈毛刺状正弦波形。
参见图4和图5，可见装置工作于不稳定弥散放电状态，接近丝状放电，具有明亮的收缩放电通道，该工作状态对应气体间隙6mm，电压频率20kHz，幅值14.0kV，电流存在较多百纳秒窄脉冲，已具备丝状放电的典型放电电流波形特征。
Claims (8)
1.一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，包括聚四氟乙烯支架(5)，该聚四氟乙烯支架(5)的底部中心处自下而上依次设置有磁性接地电极(2)、微孔陶瓷(8)和磁性悬浮电极(3)，该聚四氟乙烯支架(5)的顶部中心处自上而下依次设置有高压电极(1)和氧化铝陶瓷阻挡介质(4)；其中，
磁性悬浮电极(3)和氧化铝陶瓷阻挡介质(4)之间留有间隙，该间隙取值为5～20mm；磁性悬浮电极(3)由微米级磁性铁粉末构成，平均厚度为1mm，并通过磁性接地电极(2)吸附于地电极侧，呈毛刺状；
工作时，高压电极(1)接高电压交流电源，磁性接地电极(2)接地，在高电压交流电源作用下，放电等离子体将在氧化铝陶瓷阻挡介质(4)与磁性悬浮电极(3)之间产生。
2.根据权利要求1所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，聚四氟乙烯支架(5)包括自下而上平行设置的底板和顶板，该底板的中心处设置有中心支撑柱，底板和顶板之间的两侧各设置有第一支撑柱和第二支撑柱，其中，
磁性接地电极(2)、微孔陶瓷(8)和磁性悬浮电极(3)自下而上依次设置在中心支撑柱上，高压电极(1)和氧化铝陶瓷阻挡介质(4)自上而下依次设置在的底部。
3.根据权利要求2所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，顶板上设置有穿过其的第三支撑柱和第四支撑柱，第三支撑柱和第四支撑柱的底部均通过吸盘与氧化铝陶瓷阻挡介质(4)贴合。
4.根据权利要求3所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，还包括套装在第三支撑柱和第四支撑柱的两个弹簧(7)，两个弹簧(7)均呈拉伸状态，使得氧化铝陶瓷阻挡介质(4)与高压电极(1)贴紧。
5.根据权利要求2所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，还包括两个穿过顶板的螺旋微测头(6)，两个螺旋微测头(6)的底部分别设置在第一支撑柱和第二支撑柱上，通过旋转两个螺旋微测头(6)进而调节磁性悬浮电极(3)和氧化铝陶瓷阻挡介质(4)之间的间隙距离。
6.根据权利要求5所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，螺旋微测头(6)的调节总行程为50mm，调节精度为0.01mm。
7.根据权利要求1所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，氧化铝陶瓷阻挡介质(4)包括上层为1mm厚表面光滑的氧化铝陶瓷片，以及下层为5mm厚的微孔陶瓷。
8.根据权利要求1所述的一种磁性悬浮电极介质阻挡弥散放电等离子体发生装置，其特征在于，高压电极(1)由三个圆片形金属构成，中间位置圆片形金属直径大于两端圆片形金属直径；地电极(2)由四片N52型钕铁硼磁铁构成，共有两种直径，且两种直径的N52型钕铁硼磁铁上下间隔设置。
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