CN108770173B - 一种等离子体射流产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体射流产生装置，包括伸缩组件(110)和介质管组件(120)，其中：伸缩组件(110)，该伸缩组件(110)可沿纵向伸缩，且具有沿纵向贯通的中空空间；介质管组件(120)，沿纵向穿设于中空空间中，内部具有沿纵向贯通的气体通道，侧表面缠绕有沿纵向的螺旋天线(130)，并可通过伸缩组件(110)的伸缩改变螺旋天线(130)的纵向长度。与现有技术相比，本发明可方便地改变螺旋天线的纵向长度，从而方便地调节等离子体参数，使放电更稳定，并且能更好地适应各种应用场景，而且结构简单，成本低廉，可广泛推广使用。

Description

一种等离子体射流产生装置

技术领域

本发明涉及等离子体技领域，尤其是涉及一种等离子体射流产生装置。

背景技术

等离子体是最接近气体的一种状态。将气体进行电离就能产生等离子体，因此，“电离了的气体”即为等离子体，其又可称为除固、液、气态之外的“物质的第四态”。

等离子体的成份中包含大量强活性的物质(例如，带电粒子、O、OH、NO和O3等)。等离子体中的高能粒子易与待处理的材料表面产生反应以实现表面改性。因此，等离子体技术已经被广泛用于材料表面处理、废弃处理、纳米催化等诸多领域。

常使用低温等离子体产生方式(例如，电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电、介质阻挡放电)等来产生低温等离子体。此外也使用射频放电来产生低温等离子体。与常规的低温等离子体产生方式相比，射频放电是一种无电极放电，因此避免了等离子体污染，产生的等离子体也更加纯净，并且活化基团数量更多。特别是常压射频放电方式的出现，极大地促进了低温等离子体技术在能源科学、物质科学、材料科学、环境科学、宇宙科学等多个领域的应用。

传统的低温等离子体射流产生装置由于其内部结构的限制，等离子体的激发效率一般较低，射流长度长短不一且不可手动调节。这些都使得低温等离子体射流在常压条件下应用于材料表面处理、集成电路的加工、医疗器械的杀毒灭菌等领域时受到限制。

因此，本领域中需要一种结构简单、性能稳定、参数可调、环境适应性强、成本低廉的常压射频等离子体产生装置。

发明内容

本发明的目的就是为了解决本领域中存在的常压射频等离子体产生装置产生的等离子体结构复杂、性能不稳定、参数难以调节等问题而提供一种等离子体射流产生装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种等离子体射流产生装置，包括：

伸缩组件，该伸缩组件可沿纵向伸缩，且具有沿纵向贯通的中空空间；以及

介质管组件，沿纵向穿设于中空空间中，内部具有沿纵向贯通的气体通道，侧表面缠绕有沿纵向的螺旋天线，并可通过伸缩组件的伸缩改变螺旋天线的纵向长度。

作为本发明一个优选的技术方案，所述的伸缩组件在沿纵向的两端处具有垂直于纵向方向，并且从中空空间向外延伸的凸缘，所述的螺旋天线的两端作用于该两个凸缘上。

作为本发明一个优选的技术方案，所述的伸缩组件在沿纵向的第一端处具有第一凸缘，并在沿纵向的第二端处具有第二凸缘，第一凸缘具有在纵向上贯通第一凸缘的第一组一个或多个通孔，第二凸缘具有在纵向上与第一凸缘对准的第二组一个或多个非通孔，该伸缩组件还包括沿纵向定向的一个或多个引导杆，所述的一个或多个引导杆在伸缩组件被压缩时能穿过第一组一个或多个通孔，并且所述的一个或多个引导杆的一端终止于第二组一个或多个非通孔中。

作为本发明一个优选的技术方案，该装置还包括设置在一个或多个引导杆上的锁固机构。

作为本发明一个优选的技术方案，所述的伸缩组件包括：

波纹管，以及

分别与波纹管在纵向上的两端固定的中空的第一盘体和第二盘体，波纹管、第一盘体和第二盘体的中空部分共同构成所述中空空间。

作为本发明一个优选的技术方案，所述的介质管组件包括：

介质管主体，沿纵向穿设于中空空间中，以及

在纵向上位于介质管主体两端的第一端部和第二端部，当伸缩组件不受外力时，所述的第一端部和介质管主体的一部分从伸缩组件在纵向的一端处的中空空间伸出，介质管主体在与第二端部的连接处与伸缩组件在纵向的另一端处固定，使得仅有第二端部从该端处的中空空间伸出。

作为本发明一个优选的技术方案，所述的介质管主体和波纹管是圆柱形的，并且介质管主体的中心轴线和波纹管的中心轴线是共轴的。

作为本发明一个优选的技术方案，所述的介质管组件沿纵向的一端与气源流体式耦合，并且沿纵向的另一端设有喷嘴。

作为本发明一个优选的技术方案，该装置还包括流体式耦合在气源与介质管组件沿纵向的一端之间的气体质量流量控制器。

作为本发明一个优选的技术方案，该装置还包括与螺旋天线的一端电气耦合的射频电源，并且螺旋天线的另一端接地。

作为本发明一个优选的技术方案，所述螺旋天线绕介质管组件的侧表面一圈的直径d满足d/λ＝0.25-0.46，其中，λ由电磁波的波速U和周期T确定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过按压伸缩组件可方便地改变纵向长度，可方便地调节等离子体参数，使放电更稳定，并且能更好地适应各种应用场景。

(2)结构简单，成本低廉，可广泛推广使用。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的等离子体射流产生装置；

图2为图1中的等离子体射流产生装置被按压后的示意图。

图中，100为等离子体射流产生装置，110为伸缩组件，111为第一凸缘，112为第二凸缘，113为通孔，114为非通孔，115为波纹管，120为介质管组件，121为介质管主体，122为第一端部，123为第二端部，130为螺旋天线，140为引导杆，150为气源，160为质量流量控制器，170为射频电源，180为接地。

具体实施方式

在描述本发明的各实施例之前，先对一些术语进行解释。在说明书和权利要求书中，当描述A与B“流体式耦合”时，意思是指A与B之间存在流体通路，流体(例如，气体)可从该流体通路流过；当描述A与B“电气耦合”时，意思是指A与B之间存在导电通路，电流可从该导电通路流过；当描述A与B“连接”时，意思是至A与B实体地(即，以机械方式)连接。在说明书和权利要求书中，当物体A的一个维度上的长度显著地大于该物体A在其他维度上的长度时，将该维度所在的方向称为物体A的“纵向”。例如，对于细长形的圆柱形，由于其轴向长度显著地大于其截面的直径，因此将其轴向方向称为其“纵向”。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1为根据本发明的一个实施例的等离子体射流产生装置100。

等离子体射流产生装置100包括伸缩组件110和介质管组件120，其中：伸缩组件110可沿纵向(例如，图1中的竖直方向)伸缩，且具有沿纵向贯通的中空空间；介质管组件120沿纵向穿设于中空空间中，内部具有沿纵向贯通的气体通道，侧表面缠绕有沿纵向的螺旋天线130，并可通过伸缩组件110的伸缩改变螺旋天线130的纵向长度。

在操作时，可以从介质管组件120沿纵向的一端通入工作气体。当通过螺旋天线130引入射频功率时，螺旋天线130上的电流呈行波分布，并且最大辐射强度在该螺旋天线130的纵向上。被通入的工作气体在介质管组件120中的气体通道中受辐射的电磁场作用而被激发，并且通过气体通道沿纵向向介质管组件120的另一端流动，在该另一端处将形成一定长度的等离子体射流。

对于上述实施例中的使用螺旋天线130的等离子体射流产生装置100，如果将螺旋天线130等效为N个相似元(平面圆环)，要使螺旋天线130在纵向上获得最大辐射，则必须使相邻两圈上对应点的电流在轴向上产生的辐射场的相位差应等于2π。在现有已满足条件的基础上，只需改变相邻两圈上对应点在轴向上的波程差，只要满足h＝λ(n1-1)即可；如果要使螺旋天线130在纵向上获得最大辐射且方向系数还要最大，则根据强方向性端射阵条件，还需满足螺旋天线130的第一圈和最后一圈沿轴向产生的辐射场的相位差等于π，在现有已满足条件的基础上，只需改变相邻两圈上对应点在轴向上的波程差，只要满足h＝(2N+1)/2Nn₁即可。其中，λ为波长，由电磁波波速U和周期T决定，电磁波周期T由射频电源的频率f决定，而n₁为螺旋天线130上的波长缩短系数。伴随着螺旋天线130在纵向上的辐射强度的变化，等离子体射流产生装置100产生的等离子体射流的长度和面积也相应变化。可见，改善螺旋天线130在纵向上的辐射强度和方向性并随之改变产生的等离子体射流的长度和面积都依赖于改变螺旋天线130在纵向上的长度。本发明的一个实施例通过提供伸缩组件110来方便地改变螺旋天线130的纵向长度。压缩伸缩组件110而使螺旋天线130压缩，从而减小螺旋天线130的纵向长度(例如，图1中所示的螺旋天线130在竖直方向上的高度)。当释放该压缩的压力时，伸缩组件110靠恢复力伸展，螺旋天线130也相应地伸展，从而增加螺旋天线130的纵向长度。随着螺旋天线130压缩程度的增大，其纵向长度减小，即螺旋天线130相邻两线圈之间的螺距就会由h均匀地缩减。根据缩减程度的不同，螺旋天线130在纵向上获得辐射强度也会改变，相应地，介质管组件120内气体通道中的工作气体受激发的环境也随之变化，从而使等离子体射流的长度和面积改变。因此，根据本发明的一个实施例的等离子体射流产生装置100可通过伸缩组件110的伸缩方便地改变产生的等离子体射流的长度和面积。

在一个实施例中，伸缩组件110在沿纵向的两端处具有垂直于纵向方向，并且从中空空间向外延伸的凸缘，所述的螺旋天线130的两端作用于该两个凸缘上。此时，如图1所示，当向下按压伸缩组件110的上凸缘时，上凸缘带动抵靠在该上凸缘下表面上的螺旋天线130的上端而使螺旋天线130压缩，从而减小螺旋天线130的纵向长度(例如，图1中所示的螺旋天线130在竖直方向上的高度)。

在一个实施例中，伸缩组件110在沿纵向的第一端(例如，图1中的上端)处具有第一凸缘111，并且在第二端(例如，图1中的下端)处具有第二凸缘112。第一凸缘111具有在纵向上贯通第一凸缘111的第一组一个或多个通孔113。例如，在图1中所示的实施例中，第一凸缘111具有在竖直方向上贯通的第一组一个或多个通孔113。第二凸缘112具有在纵向上与第一组一个或多个通孔113对准的第二组一个或多个非通孔114。例如，在图1中所示的实施例中，第二凸缘112具有在竖直方向上的第二组一个或多个孔，这些孔从第二凸缘112的上方开孔，但不贯通第二凸缘112。在该实施例中，等离子体射流产生装置还包括一个或多个引导杆140。当伸缩组件110被压缩时，这一个或多个引导杆140可以从一端(例如，图1中的上端)穿过第一组一个或多个通孔113。这一个或多个引导杆140的另一端(例如，图1中的下端)可终止于第二组一个或多个非通孔114中(例如，固定在第二组一个或多个非通孔114中)。第一组一个或多个通孔113和第二组一个或多个非通孔114在纵向上彼此对准地设置，使得一个或多个引导杆140在纵向上定向。通过设置这一个或多个引导杆140，第一凸缘111沿纵向的移动(其导致伸缩组件110沿纵向的伸缩)可被严格限定在纵向上，从而使得按压伸缩组件110的操作更精确，从而实现对产生的等离子体射流的更精确调节。

在一个实施例中，伸缩组件110可以包括波纹管115以及与波纹管115在沿其纵向的两端固定的中空的第一盘体和第二盘体。在该实施例中，第一凸缘111是第一盘体，第二凸缘112是第二盘体。因此，波纹管115、第一盘体和第二盘体的中空部分共同构成伸缩组件110的中空的空间。

在一个实施例中，波纹管115可以在纵向上的两端通过螺钉与第一盘体和第二盘体连接。在该实施例中，第一盘体和第二盘体具有与螺钉匹配的螺孔。

在一个实施例中，介质管组件120可以包括介质管主体121以及在纵向上位于该介质管主体121的两端上的第一端部122和第二端部123。当伸缩组件110不受外力(即，自然伸展时)，第一端部122和第二端部123都伸出伸缩组件110的中空的空间。

在一个实施例中，当伸缩组件110不受外力作用时，第一端部122和与该第一端部122连接的一部分介质管主体121都从伸缩组件110的中空的空间向上伸出。介质管主体121可以在与第二端部123的连接处与第二盘体固定，使得仅第二端部123从伸缩组件110的中空的空间向下伸出，而介质管主体121并不向下伸出。

在一个实施例中，介质管主体121和波纹管115都可以是圆柱形的。介质管主体121和波纹管115的中心轴线可以是共轴的。

在一个实施例中，介质管组件120在沿纵向的一端(例如，上端)与气源150流体式耦合，并且在沿纵向的另一端(例如，下端)设有喷嘴。

在一个实施例中，介质管组件120的第二端部123可包括喷嘴。在另一实施例中，介质管组件120的第二端部123可以是喷嘴。

在一个实施例中，等离子体射流产生装置100还可以包括气源150，该气源150与介质管组件120的一端(例如，上端)流体式耦合。

在一个实施例中，螺旋天线130绕介质管组件120的侧表面一圈的直径d满足d/λ≈0.25-0.46，其中，所述λ由电磁波的波速U和周期T确定。当满足关系式d/λ≈0.25-0.46时，能够保证螺旋天线130上的电流呈行波分布，辐射场呈圆极化，最大辐射方向在该螺旋天线130所缠绕的介质管组件120的纵向上。在一个实施例中，可以满足d/λ≈0.32，即螺旋天线130螺旋天线130绕介质管组件120的侧表面一圈的周长可以约为一个波长λ。

在一个实施例中，等离子体射流产生装置100还可以包括耦合在介质管组件120的在纵向上的一端(例如，上端)与气源150之间的质量流量控制器160。通过质量流量控制器160，可以控制流向介质管组件120的气体通道的质量流量。

在一个实施例中，等离子体射流产生装置100还可以包括与螺旋天线130的一端耦合的射频电源170。在该实施例中，螺旋天线130的另一端可以接地(例如，连接到接地180)。

图2示出图1中的等离子体射流产生装置100被按压后的示意图。在图2中，以向下的箭头和“h1”示出第一凸缘111被按压而下降高度h1，相应地，螺旋天线130的纵向长度也减小h1。在图2中，当第一凸缘111被按压时，一个或多个引导杆140的上端穿过第一凸缘111上的第一组一个或多个通孔113。

在一个实施例中，对于等离子体射流应用时间不长的情况，可以手动将第一凸缘111按压到合适位置，并保持在该位置，直到等离子体射流的使用完成。

在一个实施例中，可能需要长时间使用等离子体射流。考虑到长时间的手动按压可能会导致定位不准确而影响产生的等离子体射流参数的稳定性，还可以设置一个或多个锁固机构(图中未示出)。例如，当第一凸缘111被按压到合适位置时，可在一个或多个引导杆140上、抵靠第一凸缘111的上表面设置该锁固机构。当锁固机构安装到位后，第一凸缘111在上表面处受到锁固机构的阻挡，将不会再由于恢复力而向上伸展，从而实现了对第一凸缘111的位置的锁固。当需要释放锁固时，只需卸下锁固机构。

在一个实施例中，锁固机构可以是螺母。在该实施例中，一个或多个引导杆140的至少一部分可具有匹配螺母的内螺纹的外螺纹。螺母和带外螺纹的引导杆140可实现对第一凸缘111的位置的锁固。

采用本发明的等离子体射频产生装置，可以容易地调节产生的等离子体射流的参数，并且具有结构简单、成本低廉等优点。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种等离子体射流产生装置，其特征在于，包括：

伸缩组件(110)，该伸缩组件(110)可沿纵向伸缩，且具有沿纵向贯通的中空空间；以及

介质管组件(120)，沿纵向穿设于中空空间中，内部具有沿纵向贯通的气体通道，侧表面缠绕有沿纵向的螺旋天线(130)，并可通过伸缩组件(110)的伸缩改变螺旋天线(130)的纵向长度；

所述的伸缩组件(110)包括：

波纹管(115)，以及

分别与波纹管(115)在纵向上的两端固定的中空的第一盘体和第二盘体，波纹管(115)、第一盘体和第二盘体的中空部分共同构成所述中空空间；

所述的伸缩组件(110)在沿纵向的两端处具有垂直于纵向方向，并且从中空空间向外延伸的凸缘，所述的螺旋天线(130)的两端作用于两个凸缘上；

所述的伸缩组件(110)在沿纵向的第一端处具有第一凸缘(111)，并在沿纵向的第二端处具有第二凸缘(112)，第一凸缘(111)具有在纵向上贯通第一凸缘(111)的第一组一个或多个通孔(113)，第二凸缘(112)具有在纵向上与第一凸缘(111)对准的第二组一个或多个非通孔(114)，该伸缩组件(110)还包括沿纵向定向的一个或多个引导杆(140)，所述的一个或多个引导杆(140)在伸缩组件(110)被压缩时能穿过第一组一个或多个通孔(113)，并且所述的一个或多个引导杆(140)的一端终止于第二组一个或多个非通孔(114)中。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体射流产生装置，其特征在于，该装置还包括设置在一个或多个引导杆(140)上的锁固机构。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体射流产生装置，其特征在于，所述的介质管组件包括：

介质管主体(121)，沿纵向穿设于中空空间中，以及

在纵向上位于介质管主体(121)两端的第一端部(122)和第二端部(123)，当伸缩组件(110)不受外力时，所述的第一端部(122)和介质管主体(121)的一部分从伸缩组件(110)在纵向的一端处的中空空间伸出，介质管主体(121)在与第二端部(123)的连接处与伸缩组件(110)在纵向的另一端处固定，使得仅有第二端部(123)从该端处的中空空间伸出。

4.根据权利要求1～3任一所述的一种等离子体射流产生装置，其特征在于，所述的介质管组件(120)沿纵向的一端与气源(150)流体式耦合，并且沿纵向的另一端设有喷嘴。

5.根据权利要求3所述的一种等离子体射流产生装置，其特征在于，该装置还包括流体式耦合在气源(150)与介质管组件(120)沿纵向的一端之间的气体质量流量控制器(160)。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体射流产生装置，其特征在于，该装置还包括与螺旋天线(130)的一端电气耦合的射频电源(170)，并且螺旋天线(130)的另一端接地(180)。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体射流产生装置，其特征在于，所述螺旋天线(130)绕介质管组件(120)的侧表面一圈的直径d满足d/λ＝0.25-0.46，其中，λ由电磁波的波速U和周期T确定。

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