CN107979907B - 大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，更大程度地降低射流装置工作时耗，提高工作效率，并在相对较低能耗下产生较大尺寸等离子体射流。本发明包括具有进气端口和出气端口的窄缝腔体、直流主放电电极和一对介质阻挡放电平板电极，直流主放电电极为多个柱形的阳极、阴极，均沿出气端口的厚度方向插入窄缝腔体；多个阳极和阴极沿平行于出气端口的直线依次交替布置，以柱面作为放电端面，组成直流放电单元的线型阵列，设阳极个数为n，则阴极个数为n+1或n‑1。本发明巧妙地利用直流主放电中阳极和阴极呈线型交替布置特征，以及直流辉光并联放电特性，实现了较低能耗下产生较大尺寸等离子体射流。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温等离子体射流发生装置。
背景技术
中国专利 ZL 201210006023.4《介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置》中公开的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，由一个主体腔室，一对主放电电极，一对介质阻挡放电（DBD）平板电极，一个限流电阻，一个质量流量计和两个电源设备组成。主体腔室包括两个端口，一个端口为进气端口，另一个端口为出气端口，主体腔室内靠近该出气端口的部分自然形成窄缝腔体。在窄缝腔体处，布置着主放电的两个电极，电极相互正对的放电端面为平面或针尖状。主放电电极的回路上还串联有限流电阻。在进气端口与主放电电极的位置之间还设置有用以对工作气体进行预电离的一对DBD平板电极，两平板电极金属表面紧贴窄缝腔体外壁上。主体腔室是由如聚四氟乙烯一类的聚合物或绝缘陶瓷材料制成；电极为耐热的金属材料。为主放电电极提供放电电压的电源既可以采用直流也可以采用交流；为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源。质量流量计用来控制流经腔室的等离子体气流。电路中串联的限流电阻可以抑制阴极区域的电场波动，限制两极之间放电电流的大小，防止辉光放电转变成电弧放电，从而使得在气体腔室中可以产生稳定的辉光放电。
工作时，让工作气体（等离子体维持气体和/或活性气体）从进气端口流入腔室，当流经两平板电极所对应的区域时，在两电极上外加一定的交流电压，电压幅值控制在工作气体击穿阈值附近，确保DBD功率不大于1W。经DBD预处理的部分预电离气体在穿越腔室之前，在靠近出气端口主放电所对应的两个电极上外加一定的电压来再次激发预电离的工作气体，使其放电产生刷状的等离子体射流，从出气端口喷出，形成大气压低温等离子体电刷。
尽管与早期的等离子体发生装置相比，该装置优势明显，其结构简明、无需昂贵的真空系统就可以在常压下产生低温等离子体射流，等离子体射流放电更稳定，一定程度上也减少了工作能耗。
然而，进一步从提高等离子体射流工作效率来考虑，该装置仍然不甚理想。由于受到外加直流电源幅值和直流电极间击穿场强的限制，射流的宽度通常不大于15 mm。因而，射流发生装置在处理大面积样品时，耗时较长，工作效率低下，不易于在工业、医疗、卫生等领域开展大规模的应用。
发明内容
本发明提供一种大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，对背景技术中的技术方案进行改进，更大程度地降低射流装置工作时耗，提高工作效率，并在相对较低能耗下产生较大尺寸等离子体射流。
为实现以上发明目的，本发明提供如下技术方案。
该大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室、直流主放电电极和一对介质阻挡放电平板电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100：1；所述直流主放电电极设置在窄缝腔体处，所述平板电极位于进气端口与主放电电极之间用来预电离工作气体；有别于现有技术的是：所述直流主放电电极为多个柱形的阳极、阴极，均沿出气端口的厚度方向插入窄缝腔体；多个阳极和阴极沿平行于出气端口的直线依次交替布置，以柱面作为放电端面，组成直流放电单元的线型阵列，设阳极个数为n，则阴极个数为n+1或n-1。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进。
位于所述线型阵列的两端的直流主放电电极是偶数类（总数为偶数的一类）直流主放电电极；奇数类（总数为奇数的一类）直流主放电电极与其相邻的两个直流主放电电极并联后，再串联一个限流电阻构成回路；各个奇数类的直流主放电电极所在的回路彼此构成并联结构，且相应串联的限流电阻相等。这种电连接方式整体均衡，能够确保所有的放电单元同时放电，否则由于各个直流主放电电极的结构难以做到完全相同，若全部直流主放电电极先并联再串联一个总的限流电阻，则很可能只有少部分放电单元放电。当然，也可以对每个直流放电单元单独串联一个对应的限流电阻形成回路。
在直流主放电电极中，若阳极数量比阴极数量多一，则直流主放电电极的回路上限流电阻一端与阴极相接，另一端接地；若阴极数量比阳极数量多一，则直流主放电电极的回路上限流电阻一端与阳极相接，另一端接电源高压端。
所述直流主放电电极的形状为圆柱体。
各个直流主放电电极等间距排列，间距为5-20 mm，直流主放电电极的直径均为0.1-1mm。
上述窄缝腔体的结构形式可以是：主体腔室内自进气端口至出气端口逐渐收缩或趋于扁平；或者主体腔室内整体即为窄缝腔体，效果更佳。
进一步的，优选主体腔室内整体为长方体的窄缝腔体，平板电极的金属表面沿长方体宽边平行紧贴窄缝腔体外壁上，窄缝腔体的腔壁作为平板电极介质阻挡放电的绝缘介质层；平板电极与主放电电极沿工作气体流速方向的间距不小于1 mm。
为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源，交流电源的频率从工频至13.56MHz的射频范围内可调；电源模式为连续或脉冲形式；其中，平板电极的放电电流有效值不大于20 mA（放电电压幅值根据因放电电压与窄缝宽度、工作气体类别、两边的腔壁厚度确定，一般在100～9000伏）。
上述平板电极介质阻挡放电功率不大于2 W时，工作气体流速为10～100 L/min；以10～30 L/min更佳。
上述主体腔室（的腔壁）可以由聚四氟乙烯、绝缘陶瓷或两者的混合材料制成。
上述主放电电极和平板电极最好采用由铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极，主放电电极中的阳极和阴极为圆柱体，阳极和阴极相互正对的放电端面为圆柱面。
本发明巧妙地利用直流主放电中阳极和阴极呈线型交替布置特征，以及直流辉光并联放电特性，实现了在较低能耗下产生较大尺寸等离子体射流的目的。具体有以下显著效果：
（1）与背景技术相比，在工作气体具有相同流速的情况，等离子体射流具备较宽的尺寸；
（2）与背景技术相比，在直流放电单元具有相同的平均放电电流时，等离子体射流尺寸更大，化学活性更强；
（3）与背景技术相比，在处理相同尺寸大面积样品时，用时较少，工作效率较高；
（4）与现有等离子体射流阵列相比，等离子体均匀性更好，样品处理效果更佳。
附图说明
图1为本发明主体结构示意图。
图2为本发明装置的工作示意图。
图3为本发明装置直流主放电在介质阻挡放电辅助情况下，通过伏安特性调制产生的等离子体射流阵列。
图4为（a）非并联直流辉光放电单元对与（b）并联直流辉光放电单元对产生的等离子体射流组合。
图5为非并联直流辉光放电单元对与并联直流辉光放电单元对等离子体射流中心部位的发射光谱。
图6为在阳极个数为4，阴极个数为3时，直流主放电原理示意图。
图7为在阳极个数为3，阴极个数为4时，直流主放电原理示意图。
附图标号说明：
10-（本发明的）主体结构；12-主体腔室；14-进气端口；16-出气端口；17、18-平板电极；
27、28、29-限流电阻；
30、40-电源设备；36-被处理物体；
51、52、53、54-阴极；61、62、63-阳极；71、72、73、74、75、76-直流放电单元。
具体实施方式
本领域技术人员考虑对等离子体发生装置射流宽度的增大和工作效率的提高时，通常是将若干独立或不受影响的等离子体射流组成一维或二维等离子体射流阵列，每个单独的等离子体射流与外加电源和辅助电子器件（比如限流电阻）组成一个独立回路。然而，这样的等离子体射流阵列需要配备较多的辅助电子器件，不仅增加了电路的复杂性，而且增大了设备的运行成本。除此以外，以该方式组装的等离子体射流阵列，在与等离子体射流方向垂直的截面上，其均匀性（等离子体均匀性指各等离子体射流横截面之和与在相同轴向位置处等离子体射流阵列截面的比值）很差，通常在30％左右，在处理大面积样品时，极易导致样品处理遗漏现象，而造成返工和增加运行成本等不利因素。
本发明经过大量理论分析和实验研究，巧妙地利用直流主放电中阳极和阴极呈线形交替布置特征，以及直流辉光并联放电特性，取得了显著的效果。具体的工作原理如下。
1）介质阻挡放电辅助直流辉光放电
工作气体（等离子体维持气体和/或活性气体）首先经介质阻挡放电预电离，部分预电离的工作气体再流经主放电区域，主放电时，气体中已存有的正负离子、甚至少量的电子作为种子电荷，能够减少气体的再次击穿阈值，从而降低主放电的起始电压、额定工作电压和工作电流。
2）介质阻挡放电触发并联直流辉光放电
在本发明中，相邻两个直流放电单元并联后再串联一个限流电阻，最后再与外加电源形成一个独立的放电回路。这样可以将限流电阻所需配备的数量减少为通常情况下的一半。这里，介质阻挡放电预电离过程，除了上述降低主放电的起始电压、额定工作电压和工作电流以外，对同时触发和稳定两个并联的直流放电单元放电起了关键性作用。在两个并联的直流放电单元中，当外加一定的电压时，两对电极之间有着相同的电势差。然而，在实际等离子体发生装置研制过程中，两对电极之间的间距无法相等。这就使得随着外加电压的增加，放电只会在电极间距较短的气隙间触发。随着气隙的击穿，两对电极之间的电势差迅速降低，无法使得在电极间距较长的气隙间再次触发放电，故而不能实现两个并联直流放电单元同时放电。在介质阻挡放电进行预电离，提供辅助的情况下，充足的带电粒子在工作气流的携带下流入主放电区域，充当种子电荷，大幅度降低主放电各电极间的气隙击穿阈值，使得相邻两个并联直流放电单元的气隙同时或瞬间先后击穿，从而实现两个并联直流放电单元同时放电的目的。直流主放电又由多组并联直流放电单元对构成，每组并联直流放电单元对与各自的限流电阻串联后再外接直流高压电源，形成独立的回路。若干组并联直流放电单元对，在介质阻挡放电辅助的情况下，同时发生放电，最终形成大面积等离子体射流阵列。
3）并联直流辉光放电伏安特性调制
单个直流辉光放电是将直流放电其中的一个电极与限流电阻串联后接电源的高压端，另一个电极接电源的零点势（或接地）。并联直流辉光放电，如前所述是将两个直流辉光放电并联后，其中一端与限流电阻串联后接电源的高压端，另一端接电源的零点势（或接地）。并联的直流辉光放电，相对于单个直流辉光放电，在放电过程中，两电极之间有较大的横截面，降低了阻抗增加了导电率。因而，在相同放电电流时，并联直流辉光放电所需要的维持电压较低。在并联直流辉光放电单元对中，每个直流放电单元的平均放电电流与单个直流辉光放电放电电流相同时，并联直流辉光放电维持电压相对于单个直流辉光放电维持电压大幅下降。维持电压的大幅下降有助于放电从亚辉光过度到正常辉光模式。此特性使得在相同平均放电电流的情况下，可以通过改变电路结构来调节直流放电的放电模式，即直流辉光放电伏安特性调制。在亚直流辉光放电中，放电通道电荷损失较大，放电需要较高的电压来维持，很难产生较大体积、活性物种丰富的等离子体射流。而在正常辉光放电中，放电通道富含大量的电荷，仅需较低的电压来维持放电，有助于产生较大体积、活性物种丰富的等离子体射流。本发明中采用了并联的直流辉光放电，即通过伏安特性调制的方法，在相同平均放电电流的情况下获取较大尺寸的等离子体射流。
如图1、图2所示，相对于背景技术（ZL 201210006023.4的方案），本发明结构上的改进主要体现如下。
主放电电极由奇数个阳极和阴极呈线形交替布置而成，其中阳极（或阴极）数量比阴极（或阳极）数量多一，组成具有偶数直流放电单元的阵列。相邻两个放电单元并联后再串联一个限流电阻，外加高压直流电源形成独立的放电回路。
工作时，让工作气体（等离子体维持气体和/或活性气体）从进气端口流入腔室，当流经两平板电极所对应的区域时，在两电极上外加一定的交流电压，电压幅值控制在工作气体击穿阈值附近，使DBD功率不大于2 W。经DBD预电离的气体在穿越腔室之前，在靠近出气端口主放电区域各直流放电单元两电极处，外加一定的电压来再次激发预电离的工作气体，在气流的牵引力作用下，形成含有电子、正负离子，以及其他活性物种的等离子体射流阵列。该射流阵列具有非平衡特性，可以用来进行等离子体表面处理和清洗、等离子体沉积、等离子体杀菌以及等离子体净化。
下面进一步详述本发明的结构和工作过程。
如图1所示，大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列包括主体腔室12，主体腔室12有两个端口，一个进气端口14和另一个出气端口16。等离子体维持气体和活性气体从进气端口14流入腔室，流经主体腔室12内部的窄缝腔体（在本实施例中主体腔室12内整体即为窄缝腔体）。
等离子体射流阵列装置包括奇数个直流主放电圆柱体电极，在本实施案例中，主放电电极共有3个阳极和4个阴极，分别为阳极61，阳极62，阳极63；阴极51，阴极52，阴极53，阴极54。阳极和阴极呈线形交替布置，各阳极和阴极依次分布在主体腔室12的内部，并靠近出气端口16。阳极和阴极相互正对的放电端面为圆柱面。阳极61与阴极51组成直流放电单元71；阳极61与阴极52组成直流放电单元72；阳极62与阴极52组成直流放电单元73，阳极62与阴极53组成直流放电单元74；阳极63与阴极53组成直流放电单元75；阳极63与阴极54组成直流放电单元76。
在进气端口14与圆柱体电极（阴极51，阳极61，阴极52，阳极62，阴极53，阳极63，阴极54）之间，还设置有两个平板电极17、18，平板电极17、18分别位于腔体外侧两边。
等离子体维持气体和活性气体持续地从进气端口14流入主体腔室12，首先流经平板电极17、18所对应的放电区域，在不大于2 W的功率下部分工作气体发生预电离，预电离的后的气体再流经直流放电单元71、72、73、74、75和76所对应的放电区域，当各单元两电极之间的电压足够高时，气体将被再次击穿，在腔室内部形成含有大量电子、正负离子，以及其他活性物种的等离子体气流。等离子体在气流牵引力的作用下从出气端口16喷出，形成如图2所示的刷状等离子体射流81、82、83、84、85和86（形成的射流阵列）。等离子体射流触及到被处理物体36的表面，并与其适当地接触和来回移动，就可以对被处理物体36的整个表面或预处理表面进行处理。
主体腔室12、进气端口14、出气端口16、主放电电极（阴极51，阳极61，阴极52，阳极62，阴极53，阳极63，阴极54）以及平板电极17和18，组建成本发明的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体电刷阵列的主体结构10。
图2为本发明的工作示意图。等离子体射流阵列除了含有一个主体结构10以外，还包括限流电阻27、28、29，电源设备30和电源设备40。在主体结构10中，结合图1所示，直流放电单元71与72并联后，再与限流电阻27串联，外接电源设备30形成主放电单元对；直流放电单元73与74并联后，再与限流电阻28串联，外接电源设备30形成主放电单元对；直流放电单元75与76并联后，再与限流电阻29串联，外接电源设备30形成主放电单元对。电源设备40为平板电极17和平板电极18提供放电电压，形成介质阻挡放电回路。
图2所示阳极和阴极分别安装在窄缝腔体的两面，主要是为了方便接线。实际上，也可以在窄缝腔体的同一面安装阳极和阴极。
通过实验，验证了本发明装置能够显著地增大等离子体尺寸，并降低能耗。以下举例说明。
在大气环境下采用本发明装置进行实验，该装置主放电各单元两电极圆柱面的间距为15 mm，主放电电极直径均为0.3 mm；外加正弦交流电压使腔体内部的工作气体（氩气）发生预电离，电压幅值2.5 kV，频率8.1 kHz，介质阻挡放电功率约610 mW；主放电电流60mA，放电电压519 V，限流电阻27、28、29均为50 kΩ。图3展示了此工作条件下的等离子体射流阵列，等离子体射流阵列由6个单一的等离子体射流组成。每个等离子体射流宽15 mm，高5 mm（这里的高度，即图2所示竖直方向的尺寸：表征射流能有效到达的距离出气端口16的最远位置）。射流阵列整体宽度 90 mm，为背景技术等离子体射流宽度的6倍。在射流高度为1 mm位置处，等离子体均匀性由现有技术的30％增加到97.0％。
在实验中，通过伏安特性调制来降低气体放电功率，并增加等离子体射流尺寸和化学活性。首先，将两个相邻直流放电单元72和73独立的接入放电回路，在各自平均放电电流为10 mA，维持电压为742 V时，得到如图4(a)所示的等离子体射流组合。此时，放电功率为7.4 W，射流中心部位的高度为1 mm。为了比较，将两个相邻直流放电单元71和72并联后接入放电回路，在各自平均放电电流为10 mA，维持电压为475 V时，得到如图4(b)所示的等离子体射流组合。此时，放电功率由7.4 W降低到4.8 W，射流中心部位的高度由1 mm增加到4 mm。在距离等离子体射流相同位置处，对上述两种情形进行了光谱测试，测试结果如图5所示。比较发现采用并联方式所产生等离子体射流的发射光谱相对于非并联的情形，其强度增加了1倍，因而化学活性显著增强。通过两种情况的比较，我们发现采用伏安特性调制的方法可以在降低放电功率的同时，增大等离子体射流尺寸和化学活性。
Claims (10)
1.大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室、直流主放电电极和一对介质阻挡放电平板电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100：1；所述直流主放电电极设置在窄缝腔体处，所述平板电极位于进气端口与主放电电极之间用来预电离工作气体；其特征在于：
所述直流主放电电极为多个柱形的阳极、阴极，均沿出气端口的厚度方向插入窄缝腔体；多个阳极和阴极沿平行于出气端口的直线依次交替布置，以柱面作为放电端面，组成直流放电单元的线型阵列，设阳极个数为n，则阴极个数为n+1或n-1。
2.根据权利要求1所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：位于所述线型阵列的两端的直流主放电电极是偶数类的直流主放电电极；奇数类的直流主放电电极与其相邻的两个直流主放电电极并联后，再串联一个限流电阻构成回路；各个奇数类的直流主放电电极所在的回路彼此构成并联结构，且相应串联的限流电阻相等。
3.根据权利要求2所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：在直流主放电电极中，若阳极数量比阴极数量多一，则直流主放电电极的回路上限流电阻一端与阴极相接，另一端接地；若阴极数量比阳极数量多一，则直流主放电电极的回路上限流电阻一端与阳极相接，另一端接电源高压端。
4.根据权利要求1所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：所述直流主放电电极的形状为圆柱体。
5.根据权利要求4所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：各个直流主放电电极等间距排列，间距为5-20 mm，直流主放电电极的直径均为0.1-1 mm。
6.根据权利要求1所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：所述主体腔室内整体为长方体的窄缝腔体，平板电极的金属表面沿长方体宽边平行紧贴窄缝腔体外壁上，窄缝腔体的腔壁作为平板电极介质阻挡放电的绝缘介质层；平板电极与直流主放电电极沿工作气体流速方向的间距不小于1mm。
7.根据权利要求1所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源，交流电源的频率从工频至13.56 MHz的射频范围内可调，电源模式为连续或脉冲形式；其中，平板电极的放电电流有效值不大于20 mA。
8.根据权利要求7所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：平板电极介质阻挡放电功率不大于2W，工作气体流速为10～100 L/min。
9.根据权利要求1所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：所述主体腔室由聚四氟乙烯、绝缘陶瓷或两者的混合材料制成。
10.根据权利要求1所述的大气压介质阻挡放电增强型直流交替电极低温等离子体射流阵列，其特征在于：所述直流主放电电极和平板电极均为铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极。
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