CN109475037B - 一种等离子体活性增强法及发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体光子聚焦法及发生装置，核心为在等离子体发生装置的等离子体发生端增加或者设计有聚焦等离子对应光波的聚焦单元，该聚焦单元设置为凹面反射镜，在反射镜的内侧可涂覆有金属膜或介质膜，使产生的等离子体在反射镜的作用下聚焦在反射镜焦点附近的区域，减小等离子体产生后向四周辐射造成的能量损耗，同时聚焦在焦点区域的等离子体密度较大，等离子体包含的光子、原子及分子等相互碰撞的几率增大，促进了等离子体间物理化学的反应，进而增强等离子体的活性。

Description

一种等离子体活性增强法及发生装置

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，更具体地，涉及一种等离子体活性增强法及发生装置。

背景技术

等离子体为物质的“第四态”，是带电粒子和和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体。按其体系温度可将其分为高温等离子体和低温等离子体两大类。

在等离子体放电过程中，电子从电场中得到能量，高能电子通过与中性气体的碰撞产生活性自由基、电子、离子和其他成分，其中等离子体中各物质单独或者相互作用，在生物医学上能发挥重要作用。例如带电粒子对病菌有灭活作用，是杀菌消毒凝血和材料表面除垢的重要物质。中性物质如活性氧物质和活性氮物质在杀菌过程中起主要作用。而对于紫外光线，它能作用于DNA和蛋白质，能使DNA遗传特性改变，使蛋白质变性。

等离子体中含有的光子不仅能表征等离子体中的物质，还参加并促进等离子体内部物理化学反应，增强等离子体能量，可见等离子体中含有的光子在等离子体中起重要作用。但是目前普遍使用的等离子体装置和设备都存在以下问题：等离子体中一些光子如紫外成分在产生后向四周辐射从而直接散失，导致部分能量浪费，不利于发挥相应的物理化学效应。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种等离子体活性增强法及发生装置，旨在解决现有等离子体装置中光子向四周辐射直接散失，导致光子浪费、活性下降的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种等离子体活性增强法，包括通过等离子体聚焦使得等离子体的浓度增大，促进等离子体相互之间的物理化学反应，进而增强等离子体活性。

基于上述等离子体活性增强法，本发明提供了一种等离子体发生装置，包括正极、绝缘管、通气孔和聚焦单元，所述正极固定在通气孔上，绝缘管罩在正极外；所述通气孔介于绝缘管与正极之间，所述聚焦单元连接在绝缘体的下端；所述正极为产生等离子体提供电压；所述绝缘管用于安全保护，防止正极放电造成危险；所述通气孔用于传输产生等离子体的混合气体；所述聚焦单元用于聚焦发生后的等离子体，减少等离子体中能量的散失，增强等离子体活性。

优选地，所述的正极提供的交流电压峰峰值为0-20kV，频率为0-20kHz。

优选地，所述的通气孔提供的气体为稀有气体He或Ar，气体流量为0-6L/min。

优选地，所述聚焦单元为椭球面反射镜。

优选地，所述反射镜为金属膜或者介质膜反射镜；所述金属膜消光系数大，当光束入射到金属表面时，进入金属内的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。金属膜的反射率在很大的光谱范围内都是相同的，并且与入射角和偏振态无关。它的反射波长为涵盖等离子体中的光波波长180nm-1000nm，材料一般为金、银或铝。介质膜反射镜是建立在多光束干涉基础上的。在反射镜表面镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射膜是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的，介质膜反射率较高，在特定波长可达99％，材料可为硫化锌、氟化镁和氧化锆、二氧化硅。

同时，本发明又提供了另一种等离子体发生装置，其特征在于，包括正极、绝缘管、绝缘介质片和凹面网状阴极；所述正极位于绝缘介质片正上方；所述绝缘管罩在正极外；所述绝缘介质介于正极与凹面网状阴极之间，所述凹面网状阴极下端发生等离子体；所述正极与凹面网状阴极用于在两者间接入电压；所述绝缘管用于安全保护，防止正极放电造成危险；所述绝缘介质片用于产生均匀的等离子体，同时避免剧烈放电；所述凹面网状阴极用于聚焦等离子中的光子，减少光波的散失，增强等离子体浓度。

优选地，所述的正极提供的交流电压峰峰值为0-20kV，频率为0-20kHz。

优选地，所述正极上部分为细长型的金属杆，下部分为圆柱块金属，所述金属圆柱块的直径小于绝缘介质的直径。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明采用凹面网状阴极代替传统的平面网状结构，在等离子体产生处增加凹面或椭球面反射镜，并在反射镜上涂抹金属膜或者介质膜，可有效的聚焦光子，更好的利用等离子体特性，在表面改性、刻蚀和杀菌等应用中发挥作用。

(2)本发明聚焦后的等离子体中含有的物质可相互反应，增强等离子体活性，同时由于金属反射镜或涂层化学性质稳定，并不参与等离子体气相中的物质反应。

附图说明

图1是本发明提供的等离子体射流装置；

图2是本发明提供的椭球面反射镜的示意图；

图3是现有的等离子体射流装置；

图4是本发明提供的表面放电等离子体装置；

图5是现有的表面放电等离子体装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

等离子体在形成中，电子从电场中获取能量，高能电子会不断碰撞原子和分子，彼此之间发生一系列光化学反应，当它们从激发态回到基态时，会产生发射光谱。

等离子体发生的光波波长通常在180nm-1000nm范围，包含了紫外线、可见光和红外光。其中，紫外光波的波长是180nm-400nm，按波长从长到短可分为长波UVA、中波UVB和短波UVC段。可见光的波长是400nm-760nm，一般由电子跃迁产生，分析其光谱能得到大量有关等离子体复杂的原子反应过程的信息。红外光的波长大于760nm，一般由分子振动或转动产生，一般用于化合物鉴定及分子结构表征。

等离子体中含有的光子不仅能表征等离子体中的物质，还参与并促进等离子体内部物理化学反应，增强等离子体能量，主要的反应机理如下：

hν+A→A^*

hν+A→A⁺+e

hν+A₂→A+A

e+A→A^-+hν

其中，ν为光子频率，A代表原子或中性分子，A^*和A^-代表等离子体中产生的带电粒子，e代表自由电子；

从上述等离子体发生的主要物理化学反应式可知，等离子体中含有的光子在等离子体中起很重要的作用。光子浓度越高，等离子体中的物理化学反应更为剧烈，等离子体的活性更强。

基于以上等离子体发生机理，本发明提供了一种等离子体活性增强法，包括通过等离子体聚焦使得等离子体的浓度增大，促进等离子体相互之间的物理化学反应，进而增强等离子体活性。

基于所述的等离子体聚焦增强法，本发明提供了一种等离子体射流装置，如图1所示，包括正极1、绝缘管2、通气孔3和聚焦单元5，所述正极1固定在通气孔3上，绝缘管2罩在正极1外；所述通气孔3介于绝缘管2与正极1之间，所述聚焦单元5连接在绝缘体2的下端；所述正极1为产生等离子体提供电压；所述绝缘管2用于安全保护，防止正极放电造成危险；所述通气孔3用于传输产生等离子体的混合气体；所述聚焦单元5用于聚焦等离子体射流4，减少等离子体射流4中能量的散失，增强等离子体活性。

优选地，如图2所示，所述聚焦单元5为椭球面反射镜，所述椭球面反射镜具有两个焦点，将产生的等离子体射流4放置在椭球面发生镜的第一个焦点上，则等离子体中包含的光波会经过反射镜的反射后会聚焦在第二个焦点上，避免了因光子四周辐射而带来的能量浪费。同时，在椭球面反射镜的第二个焦点处光子密度相对较高，增加离子间相互碰撞的几率，增强光子的活性，促进等离子体相应的物理化学反应。

优选地，所述反射镜5内表面可涂覆有金属膜或者介质膜，其中金属膜消光系数大，当光束入射到金属表面时，进入金属内的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。金属膜的反射率在很大的光谱范围内都是相同的，并且与入射角和偏振态无关。它的反射波长涵盖等离子体中的光波波长180nm-1000nm，材料一般为金、银或铝。介质膜反射镜是建立在多光束干涉基础上的。在反射镜表面镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射膜是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的。介质膜反射率较高，在特定波长可达99％，材料可为硫化锌、氟化镁和氧化锆、二氧化硅。

优选地，本装置正极1接入的交流高压电源电压峰峰值为0-20kV，频率0-20kHz。

优选地，通气孔3通入的气体一般为稀有气体He或Ar，气体流量为0-6L/min。

本发明提供的等离子体射流装置与如图3所示的现有技术相比，在等离子体射流喷嘴处添加其他形式的凹面镜，根据聚光原理均可实现光子集中于焦点处的某块区域，进而避免等离子体的浪费，同时增强等离子体活性。

如图4所示，本发明同时提供了另一种表面放电等离子体装置，属于介质阻挡放电类型，包括正极1、绝缘管2、绝缘介质片3和凹面网状阴极4；所述正极1位于绝缘介质片3正上方；所述绝缘管2罩在正极1外；所述绝缘介质3介于正极1与凹面网状阴极4之间，所述凹面网状阴极4下端发生等离子体；所述正极1与凹面网状阴极4用于在两者间接入电压；所述绝缘管2用于安全保护，防止正极1放电造成危险；所述绝缘介质片3用于产生均匀的等离子体，同时避免剧烈放电；所述凹面网状阴极4用于聚焦等离子中的光子，减少光波的散失，增强等离子体浓度。

优选地，所述的正极1提供的交流电压峰峰值为0-20kV，频率为0-20kHz。

优选地，所述正极1上部分为细长型的金属杆，下部分为圆柱块金属，所述金属圆柱块的直径小于绝缘介质3的直径。

优选地，本装置可在大气压下运行，正极1接高压电源，网状阴极4接地，在一定条件下网状阴极表面将产生等离子体。

本发明提供的表面放电等离子体装置与如图5所示的现有技术相比，阴极网孔4不再是平面，可实现等离子体的光子聚焦，减少光波散失，增强等离子体浓度。

值得注意的是，本发明中对于发生端等离子体的聚焦并不局限于凹面反射镜，对于可实现聚焦的其他装置均在本发明可接受的范围内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种等离子体活性增强法，其特征在于，包括通过等离子体聚焦，减少光波的散失，使得等离子体的浓度增大，促进等离子体相互之间的物理化学反应，进而增强等离子体活性；

所述的等离子体活性增强法的发生装置，包括正极(1)、绝缘介质片(3)和凹面网状阴极(4)；所述正极(1)位于绝缘介质片(3)正上方；所述绝缘介质(3)介于正极(1)与凹面网状阴极(4)之间，所述凹面网状阴极(4)下端发生等离子体；所述正极(1)与凹面网状阴极(4)用于在两者间接入电压；所述绝缘介质片(3)用于产生均匀的等离子体，同时避免剧烈放电；所述凹面网状阴极(4)用于聚焦等离子中的光子，减少光波的散失，增强等离子体浓度；

还包括绝缘管(2)，所述绝缘管(2)罩在正极(1)外；用于安全保护，防止正极(1)放电造成危险；

所述的正极(1)提供的交流电压峰峰值为0-20kV，频率为0-20kHz；

正极(1)上部分为细长型的金属杆，下部分为圆柱块金属，所述金属圆柱块的直径小于绝缘介质(3)的直径；

本装置可在大气压下运行，正极(1)接高压电源，网状阴极(4)接地，在一定条件下网状阴极表面将产生等离子体。

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