CN110392477A - 一种等离子体源及等离子体的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子应用技术领域，具体涉及一种等离子体源及等离子体的产生方法。包括：第一电源，通过设置在射流管上的电极与所述射流管连接；所述射流管，靠近所述电极的一端设置有进气口，远离所述电极的一端设置有出气口；第二电源，与所述射流管连接，用于向所述射流管提供电压。利用在射流管上设置电极，电极与第一电源连接，通过第一电源产生微弱的等离子流射，在使用第二电源与连接射流管，第一电源和第二电源产生耦合现象，从而对等离子流射进行补偿，使射流管内的等离子流射能够通过调节第二电源产生稳定持续的等离子射流。

Description

一种等离子体源及等离子体的产生方法

技术领域

本发明涉及等离子应用技术领域，具体涉及一种等离子体源及等离子体的产生方法。

背景技术

大气压低温等离子体被广泛用于生物医学、材料科学、能源环境、等离子体点火助燃和材料表面改性等领域，常见的激励源有直流电源、高频高压电源、射频电源、微波电源以及脉冲电源等。

在现有技术中，使用微波等离子体在矩形波导谐振腔中产生等离子体，具体通过在矩形波导谐振腔的反应区设置一个金属铜质探针激发微波等离子体，由于矩形波导谐振腔内的温度很高，金属探针非常容易被融化，因此带来了金属烧蚀和金属污染方面和等离子体无法持续激发的问题；同时由于微波等离子体本身温度较高，限制了其应用范围，比如在材料表面改性中可能因为温度过高而烧坏基底材料。

另外，在现有技术中还把工作气体通过固定针状电极的一端进入绝缘细管中；该针状电极由频率可调的高压交流电源驱动，由单电极激发等离子体射流柱；所产生的等离子体射流柱在绝缘细管的引导下通过梯形波导转换装置的矩形波导端的耦合区域，为每个微波的调制脉冲的工作间隔到来时提供电子而激发微波等离子体放电，形成高粒子密度的等离子体射流沿着气流方向由绝缘细管的另一端喷射出。

但在实验过程中本申请发明人发现，由于微波等离子体本身所释放的高温，再加上交流高压功率，使所激发的等离子体的温度更高，又因把固定针状电极的一端放入激发等离子射流的绝缘细管中，等离子射流所产生的高温和针状电极发生趋肤效应，使针状电极被高温所融化。而当在微波等离子射流意外熄灭时，因环境温度等因素无法立即进行重燃，使等离子体无法维持等离子射流状态。因此如何解决因等离子射流所产生的高温和针状电极发生趋肤效应，是稳定持续激发等离子射流的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种等离子体源及等离子体的产生方法，以解决如何稳定持续产生等离子体的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种等离子体源，包括：

第一电源，通过设置在射流管上的电极与所述射流管连接；

所述射流管，靠近所述电极的一端设置有进气口，远离所述电极的一端设置有出气口；

第二电源，与所述射流管连接，用于向所述射流管提供电压。

利用在射流管上设置电极，电极与第一电源连接，通过第一电源产生微弱的等离子流射，在使用第二电源与连接射流管，第一电源和第二电源产生耦合现象，从而对等离子流射进行补偿，使射流管内的等离子流射能够通过调节第二电源产生稳定持续的等离子射流。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述第二电源包括微波波导谐振腔，其中，所述射流管设置于所述微波波导谐振腔中微波电场幅值最大处；

所述微波波导谐振腔的中部设置一通孔所述射流管置于通孔处，其中射流管上的电极远离微波波导谐振腔的上表面，和/或，下表面。

把射流管设置在微波波导谐振腔的电场幅值最大处，以保证所激发的等离子射流能够稳定激发，射流管上的电极远离微波波导谐振腔是为了防止金属电极与所产生的微波等离子体接触，避免反应区发生能量损耗而产生高温，使金属电极融化，从而持续稳定产生等离子射流，同时避免因金属电极融化带来了金属污染问题。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述第二电源为射频电源，所述射频电源的线圈绕设于所述射流管。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述线圈绕设在远离射流管电极的所述射流管中部管壁上。

通过给绕设在射流管管壁上的线圈施加电能，是线圈产生谐振，通过利用所产生的谐振现象与从射流管中产生的等离子射流进行耦合从而使从射流管喷射出的等离子射流能够稳定的持续激发。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述第二电源为直流电源，所述直流电源与所述第一电源并联。

结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，所述等离子体源还包括与所述第二电源串联的第一滤波电路，以及与所述第一电源串联的第二滤波电路。

通过第一电源连接第二滤波电路，第一电源连接第二滤波电路，从而避免第一电源和第二电源之间发生电信号干扰，结合第一电源和第二电源，使射流管中的等离子体能够稳定持续激发。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种等离子体的产生方法，包括：

向射流管的进气口通入气体；其中，所述射流管的进气口设置在靠近电极的一端，所述电极用于连接第一电源与所述射流管；

打开第一电源，并设置所述第一电源的参数，以使得在所述射流管的出气口处产生等离子射流；

打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围；其中，所述第二电源与所述射流管连接。

先对调整第一电源使第一电源产生微弱的等离子射流，当产生微弱的等离子射流调整第二电源，使由第二电源所产生的等离子射流与第一电源所产生的等离子射流进行耦合，使最终喷射出的等离子流射满足持续稳定激发。

结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围，包括：

调节第二电源的功率使微波发生器产生谐振；

通过所产生的谐振和通过第一电源产生的等离子射流进行耦合产生持续等离子射流；

当微波波导谐振腔中的谐振频率满足持续等离子射流激发条件时，射流管产生等离子射流，并保持等离子体持续激发状态，形成持续等离子射流；

当微波波导谐振腔中的谐振频率不满足持续等离子射流激发条件时，以固定单位步进对微波发生器进行调节直至产生持续等离子射流。

结合第二方面，在第二方面第二实施方式中，所述打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围，包括：

调节第二电源的功率，给匹配器供电；

调节匹配器的功率参数使第二电源的反射功率趋向于0，使射流管壁上的线圈与通过第一电源产生的等离子射流进行最高的能量效率耦合，产生持续等离子射流。

结合第二方面，在第二方面第三实施方式中，所述打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围，包括：

调节第二电源的电压，使第二电源与第一电源耦合产生持续等离子流射；

当第二电源电压幅值与第一电源电压幅值和频率满足持续等离子射流激发条件时，射流管产生等离子射流，并保持等离子体持续激发状态，形成持续等离子射流；

当第二电源电压幅值不满足产生等离子射流激发条件时，以固定单位步进对第二电源电压进行调节直至产生持续等离子射流。

利用谐振方式产生等离子射流，在利用交直流耦合方式，使从射流管中喷射的等离子射流能够被持续性的稳定激发，并利用调节第二电源，调节等离子射流的参数范围可调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种等离子体源的结构框图；

图2是根据本发明实施例的一种等离子体源的结构示意图A；

图3是根据本发明实施例的一种等离子体源的结构示意图B；

图4是根据本发明实施例的一种等离子体源的结构示意图C；

图5是根据本发明实施例的一种等离子射流的产生方法的流程图；

图6是根据本发明实施例的一种等离子射流的产生方法的流程图A；

图7是根据本发明实施例的一种等离子射流的产生方法的流程图B；

图8是根据本发明实施例的一种等离子射流的产生方法的流程图C；

图9是根据本发明优选实施例1产生等离子射流的流程图；

图10是根据本发明优选实施例2产生等离子射流的的流程图；

图11是根据本发明优选实施例3产生等离子射流的流程图。

附图标记：

1－第一电源；2－射流管；3－电极；4－第二电源；

21－微波发生器；22－环形器和水循环冷去系统；23－三销钉匹配器；24－微波波导谐振腔；25－气体存放瓶；31－射频电源；32－匹配器；33－线圈；41－直流电源；42－脉冲电源；43－限流电阻；44－电感滤波器；45－电容滤波器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种等离子体源，如图1所示，包括：

第一电源1，通过设置在射流管2上的电极3与所述射流管2连接；

所述射流管2，靠近所述电极3的一端设置有进气口，远离所述电极3的一端设置有出气口；

第二电源4，与所述射流管2连接，用于向所述射流管2提供电压。

在靠近射流管2进气口和出气口的位置设置有金属电极，其中靠近进气口位置的金属电极为供电极，靠近出气口位置的金属电极为接地极，第一电源1连接供电极3给射流管2供电产生等离子射流，当产生等离子流射时，打开第二电源4，第二电源4连接射流管2的外管壁，通过谐振方式使射流管2产生等离子射流，利用第一电源1产生的等离子射流和第二电源4产生的等离子流射进行耦合，得到可调范围的能够稳定持续激发的等离子射流。

利用在射流管2上设置电极3，电极3与第一电源1连接，通过第一电源1产生微弱的等离子流射，在使用第二电源4与连接射流管2，第一电源1和第二电源4产生耦合现象，从而对等离子流射进行补偿，使射流管2内的等离子流射能够通过调节第二电源4产生稳定持续的等离子射流。

具体的，第一电源1可以是脉冲电源42。

可选的，第二电源4可以是微波电源、射频电源31和直流电源41。

具体的，在射流管2中还需要通入载气，如氩气等。

可选的，载气从高压电极进入往接地电极方向扩散。

可选的，等离子流射的喷射方向与载气的扩散方向一致。

在本发明施例提供的实施方式中，所述第二电源4包括微波波导谐振腔24，其中，所述射流管2设置于所述微波波导谐振腔24中微波电场幅值最大处；

所述微波波导谐振腔24的中部设置一通孔所述射流管2置于通孔处，其中射流管2上的电极远离微波波导谐振腔24的上表面，和/或，下表面。

把射流管2设置在微波波导谐振腔24的电场幅值最大处，以保证所激发的等离子射流能够稳定激发，射流管2上的电极3远离微波波导谐振腔24是为了防止金属电极与所产生的微波等离子体接触，避免反应区产生高温，使金属电极融化，从而持续稳定产生等离子射流，同时也避免因金属电极融化带来了金属污染问题。

如图2所示，微波电源主要依次连接的微波发生器21、环形器和水循环冷却系统22、三销钉匹配器23以及微波波导谐振腔24组成，在微波波导谐振腔24中微波电场幅值最大处放置非金属射流管2，非金属射流管2的上下两端高分别凸出微波波导谐振腔24的上下表面。

可选的，微波发生器21用于产生微波信号。

可选的，三销钉匹配器23用于实现微波信号的阻抗匹配。

可选的，微波波导谐振腔24用于产生谐振使射流管2中的等离子射流能够稳定激发。

可选的，高压电极可以设置在射流管2外壁。

在距非金属射流管2上端1cm处贴有金属箔作为高压电极，连接脉冲电源42，距非金属射流管2下端3cm处贴有金属箔作为地电极。为气体存放瓶25，一般存放氩气或者其他载气，为从射流管2中吹出的等离子体射流。

在本发明施例提供的实施方式中，所述第二电源4为射频电源31，所述射频电源31的线圈33绕设于所述射流管2。

具体的，线圈33绕设在远离射流管2电极3的所述射流管2中部管壁上。

通过给绕设在射流管2管壁上的线圈33施加电能，是线圈33产生谐振，通过利用所产生的谐振现象与从射流管2中产生的等离子射流进行耦合从而使从射流管2喷射出的等离子射流能够稳定的持续激发。

如图3所示，射频电源31部分由射频电源31，匹配器32和线圈33组成，其中线圈33紧密的缠绕在非金属射流管2的中部。

在距非金属射流管2上端1cm处贴有金属箔作为高压电极，连接脉冲电源42，距非金属射流管2下端3cm处贴有金属箔作为地电极。为气体存放瓶25，一般存放氩气或者其他载气，为从射流管2中吹出的等离子体射流。

在本发明施例提供的实施方式中，所述第二电源4为直流电源41，所述直流电源41与所述第一电源1并联。

具体的，等离子体源还包括与所述第二电源4串联的第一滤波电路，以及与所述第一电源1串联的第二滤波电路。

可选的，第一滤波电路为电容滤波，第二滤波电路为电感滤波。

通过第一电源1连接第二滤波电路，第一电源1连接第二滤波电路，从而避免第一电源1和第二电源4之间发生电信号干扰，结合第一电源1和第二电源4，使射流管2中的等离子体能够稳定持续激发。

如图4所示，等离子体源电源由直流电源41和脉冲电源42构成，为限流电阻43，为避免两种电源相互影响，在直流电源41端加入了电感滤波器44对脉冲信号进行滤波，在脉冲电源42端加入了电容滤波器45对直流信号进行滤波，射流装置部分由非金属射流管2和气体存放瓶25组成。

在距非金属射流管2上端1cm处贴有金属箔作为高压电极，距非金属射流管2下端3cm处贴有金属箔作为地电极，为从射流管2中吹出的等离子体射流。

利用谐振方式产生等离子射流，在利用交直流耦合方式，使从射流管2中喷射的等离子射流能够被持续性的稳定激发，并利用调节第二电源4，调节等离子射流的参数范围可调。

本发明实施例提供的一种等离子体的产生方法，如图5所示，包括：

S10，向射流管2的进气口通入气体；其中，所述射流管2的进气口设置在靠近电极3的一端，所述电极3用于连接第一电源1与所述射流管2；

S11，打开第一电源1，并设置所述第一电源1的参数，以使得在所述射流管2的出气口处产生等离子射流；

S12，打开第二电源4，并设置所述第二电源4的参数，以拓宽等离子体的参数范围；其中，所述第二电源4与所述射流管2连接。

先对调整第一电源1使第一电源1产生微弱的等离子射流，当产生微弱的等离子射流调整第二电源4，使由第二电源4所产生的等离子射流与第一电源1所产生的等离子射流进行耦合，使最终喷射出的等离子流射满足持续稳定激发。

在本发明施例提供的实施方式中，所述打开第二电源4，并设置所述第二电源4的参数，以拓宽等离子体的参数范围，如图6所示，包括：

S20，调节第二电源4的功率使微波发生器21产生谐振；

S21，通过所产生的谐振和通过第一电源1产生的等离子射流进行耦合产生持续等离子射流；

S21a，当微波波导谐振腔24中的谐振频率满足持续等离子射流激发条件时，射流管2产生等离子射流，并保持等离子体持续激发状态，形成持续等离子射流；

S21b，当微波波导谐振腔24中的谐振频率不满足持续等离子射流激发条件时，以固定单位步进对微波发生器21进行调节直至产生持续等离子射流。

在本发明施例提供的实施方式中，所述打开第二电源4，并设置所述第二电源4的参数，以拓宽等离子体的参数范围，如图7所示，包括：

S30，调节第二电源4的功率，给匹配器32供电；

S31，调节匹配器32的功率参数，使射流管2壁上的线圈33与通过第一电源1产生的等离子射流耦合，产生持续等离子射流。

在本发明施例提供的实施方式中，所述打开第二电源4，并设置所述第二电源4的参数，以拓宽等离子体的参数范围，如图8所示，包括：

S40，调节第二电源4的电压，使第二电源4与第一电源1耦合产生持续等离子流射；

S40a,当第二电源电4压幅值与第一电源1电压幅值和频率满足持续等离子射流激发条件时，射流管产生等离子射流，并保持等离子体持续激发状态，形成持续等离子射流；

S40b,当第二电源4电压幅值不满足产生等离子射流激发条件时，以固定单位步进对第二电源4电压进行调节直至产生持续等离子射流。

实施例1

结合图2和图9，产生等离子射流的具体步骤：

S50，打开气体存放瓶25，载入气体进入非金属射流管2；

S51，打开脉冲电源42，调节频率100Hz,电压5-6KV,直到产生微弱等离子体射流；

S52，打开微波电源，调节其功率到1KW,以10W为单位步进增加功率至微波等离子体激发；

S53，等离子射流长期维持一定长度，调节脉冲电源42和微波电源参数，拓宽等离子参数范围。

实施例2

结合图3和图10，产生等离子射流的具体步骤：：

S60，打开气体存放瓶25，载入气体进入非金属射流管2；

S61，打开脉冲电源42，调节频率100Hz,电压5-6KV,直到产生微弱等离子体射流；

S62，打开射频电源31，调节其功率到1KW，然后调节匹配器32至反射功率为0，直至产生明亮的等离子体射流；

S63，等离子射流维持一定长度(一般大于5CM)，并长期维持，调节脉冲电源42和射频电源31参数，拓宽等离子体参数范围。

实施例3

结合图4和图11，产生等离子射流的具体步骤：

S70，打开气体存放瓶25，载入气体进入非金属射流管2；

S71，打开脉冲电源42，调节频率100Hz,电压5-6KV,直到产生微弱等离子体射流；

S72，打开直流电源41，逐渐增大输出电压，直到产生明亮的等离子体射流；

S73，等离子射流可以长期维持一定长度，调节脉冲电源42和直流电源41参数拓宽等离子体参数范围。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体源，其特征在于，包括：

第一电源，通过设置在射流管上的电极与所述射流管连接；

所述射流管，靠近所述电极的一端设置有进气口，远离所述电极的一端设置有出气口；

第二电源，与所述射流管连接，用于向所述射流管提供电压。

2.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述第二电源包括微波波导谐振腔，其中，所述射流管设置于所述微波波导谐振腔中微波电场幅值最大处；

所述微波波导谐振腔的中部设置一通孔所述射流管置于通孔处，其中射流管上的电极远离微波波导谐振腔的上表面，和/或，下表面。

3.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述第二电源为射频电源，所述射频电源的线圈绕设于所述射流管。

4.根据权利要求3所述的等离子体源，其特征在于，所述线圈绕设在远离射流管电极的所述射流管中部管壁上。

5.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述第二电源为直流电源，所述直流电源与所述第一电源并联。

6.根据权利要求5所述的等离子体源，其特征在于，所述等离子体源还包括与所述第二电源串联的第一滤波电路，以及与所述第一电源串联的第二滤波电路。

7.一种等离子体的产生方法，其特征在于，包括：

向射流管的进气口通入气体；其中，所述射流管的进气口设置在靠近电极的一端，所述电极用于连接第一电源与所述射流管；

打开第一电源，并设置所述第一电源的参数，以使得在所述射流管的出气口处产生等离子射流；

打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围；其中，所述第二电源与所述射流管连接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围，包括：

调节第二电源的功率使微波发生器产生谐振；

通过所产生的谐振和通过第一电源产生的等离子射流进行耦合产生持续等离子射流；

当微波波导谐振腔中的谐振频率满足持续等离子射流激发条件时，射流管产生等离子射流，并保持等离子体持续激发状态，形成持续等离子射流；

当微波波导谐振腔中的谐振频率不满足持续等离子射流激发条件时，以固定单位步进对微波发生器进行调节直至产生持续等离子射流。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围，包括：

调节第二电源的功率，给匹配器供电；

调节匹配器的功率参数使第二电源的反射功率趋向于0，使射流管壁上的线圈与通过第一电源产生的等离子射流进行最高的能量效率耦合，产生持续等离子射流。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述打开第二电源，并设置所述第二电源的参数，以拓宽等离子体的参数范围，包括：

调节第二电源的电压，使第二电源与第一电源耦合产生持续等离子流射；

当第二电源电压幅值与第一电源电压幅值和频率满足持续等离子射流激发条件时，射流管产生等离子射流，并保持等离子体持续激发状态，形成持续等离子射流；

当第二电源电压幅值不满足产生等离子射流激发条件时，以固定单位步进对第二电源电压进行调节直至产生持续等离子射流。