CN110418484A - 一种空气射流放电产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空气射流放电产生装置，可在较低电压下(3‑6kv)使用周围空气而产生的空气射流放电，从而使得等离子体射流的产生限制性更少，获得更加广泛的应用。该装置调整了放电结构、玻璃管厚度和电极位置，采用具有多个通孔的高压级，将多个石英介质管和不锈钢毛细管插入相应的通孔接好，分别加上铜环作为地极，并连接在一起，实现了多个单孔装置的并联连接(合为一个进气口)，从而等效地增大气流通道，且仍然具有较小的不锈钢毛细管尺寸和石英介质管尺寸，保证在低放电电压下的空气放电。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气压冷等离子体射流放电产生装置。
背景技术
在物理学上将等离子体定义为除固体、液体、气体外物质存在的第四种状态，等离子体是由正负电子和带电离子组成的整体呈电中性的电离气体，根据等离子体宏观上呈现的气体温度的不同，可以将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体是气体被完全电离的等离子体，在高温等离子体中，带电离子和中性粒子的温度接近电子的温度，所以高温等离子体在宏观上呈现出气体温度较高的特点。与之不同，低温等离子体，或非热平衡等离子体中带电离子和中性粒子的温度则远远低于电子的温度，等离子体呈现整体的低温，原因是等离子体气体仅被部分电离。冷等离子体是等离子体温度接近室温的低温等离子体，其等离子体温度接近室温这一特点使得冷等离子体成为当前等离子体研究的热点方向，并获得了非常广泛的应用。
根据冷等离子体的产生条件，可以将冷等离子体分为大气压冷等离子体和低压冷等离子体。大气压等离子体射流在目前的应用主要有：空气净化、污水处理等生活日常方面的应用、材料表面处理、刻蚀等工业上的应用，以及在生物医学方面的应用如细胞处理，杀菌消毒、牙齿清洁、伤口处理、皮肤病治疗等，并且表现出了非常广阔的应用前景。
最常见的大气压冷等离子体射流的放电形式为介质阻挡放电，因为介质阻挡放电能够有效抑制放电向弧光放电和火花放电过度，并且能够获得更加均匀的放电。目前大气压冷等离子体射流的研究和应用中，使用的工作气体主要是稀有气体He、Ar、氮气以及He与少量空气或氧气的混合等。这意味着等离子体射流的应用需要伴随着压缩气瓶、流量控制器、气管等一系列成套装置，在很多场合非常不方便，使得等离子体射流的应用存在很大的局限性。常规的大气压冷等离子体射流装置，如图1所示，其放电部分由一个石英管和两个铜电极组成，在石英管外套上两个一定宽度的铜电极，一个铜电极外接高压，另一电极接地，两个电极之间间隔2-3cm，石英管内由高压级端向地极端通入He或Ar，在地极端就会产生等离子体射流。
但是，若直接以周围环境中的空气作为主要的工作气体，则上述装置无法产生大气压冷等离子体射流。第一，如果将工作气体换为空气，那么石英管外高压级和地极之间的空气会比管内的空气先放电击穿并且形成电弧；第二，这一装置需要很高的电压才能产生稀有气体的射流，所以即使在高压级和地极之间加入电气隔离，如果将工作气体换成空气，也会需要非常高的电压，很可能会形成石英管外高压级的单电极放电，很不安全，并且实验表明仍然不能实现空气射流。目前，对于利用周围环境中的空气来产生大气压冷等离子体射流的研究非常少。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气射流放电产生装置，能够在较低电压下、使用周围空气产生大气压冷等离子体射流，限制条件更少，从而可以获得更加广泛的应用。
为实现上述目的，本发明给出以下解决方案：
该空气射流放电产生装置，包括气泵、通气管、导电堵头和多个套管单元；所述气泵用于向通气管内送入空气；所述通气管的输入端口与气泵密封固定，通气管的输出端口与导电堵头密封固定；导电堵头上设置有与所述多个套管单元数量相等的轴向通孔；所述多个套管单元均与导电堵头密封固定；
每个所述套管单元包括石英介质管、不锈钢毛细管和铜环，其中不锈钢毛细管的外径与石英介质管的内径相适配使二者相对固定，不锈钢毛细管的前端超出石英介质管的前端，石英介质管的后端超出不锈钢毛细管的后端；不锈钢毛细管伸出石英介质管前端的部分插入并穿过导电堵头上的所述轴向通孔，轴向通孔与不锈钢毛细管的径向尺寸相适配使二者满足接触导电；
所述导电堵头外接高压电源，使得导电堵头以及多个不锈钢毛细管整体作为高压电极；
所述铜环设置于石英介质管的外壁，并与所述不锈钢毛细管的后端平齐，或者铜环位于不锈钢管的端口以外不超过3mm的位置；多个铜环并联作为地电极。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
所述导电堵头的一侧端面具有凸部，该凸部的外径与通气管的内径相适配，使得该凸部能够恰好插入所述通气管的输出端口。或者，也可以是该侧端面具有凹部，凹部的内径与通气管的外径相适配，使得所述通气管的输出端口能够恰好插入该凹部。这里，导电堵头与通气管的配合安装，只要最终可靠密封固定、轴向通孔与通气管内联通即可。
再进一步的优化是：将凸部设计为环形结构，即环形凸部内侧仍为导电堵头本体区域，所有轴向通孔均位于环形凸部内侧的导电堵头本体区域。
可选的，所述多个套管单元中相应的多个铜环为一体件。
可选的，所述多个套管单元的石英介质管与导电堵头的端接处均采用密封胶实现密封固定。其他需要密封固定的地方也都可以使用密封胶。
可选的，所述石英介质管的厚度为0.2-0.5mm，不锈钢毛细管的内径为0.4-0.6mm。一种较佳的尺寸配置为：石英介质管的厚度0.25mm，不锈钢毛细管的内径0.5mm。
可选的，所述多个套管单元的后端整体续接合并为一个单孔出口。
可选的，所述气泵的前端还设置有除氧装置，用于尽可能降低进入通气管内的氧含量。
可选的，所述高压电源为脉冲电源，幅值3-6kV。
可选的，通入通气管的气流量为1-1.5L/min。
本发明具有以下有益效果：
采用本发明的多管并联放电结构，调节适宜的玻璃管厚度和电极位置等，实现了在较低电压(例如3-6kV)下以空气作为工作气体产生稳定的大气压冷等离子体射流，限制条件更少，从而可以获得更加广泛的应用。
本发明的多管并联放电结构，多个放电单元的进气口并为一个进气口，从而可以等效地增大气流通道，同时每个放电单元仍然具有适宜的不锈钢毛细管尺寸和石英介质管尺寸，所以也能保证在低放电电压下的空气放电。
明确了产生空气射流的影响因素，通过增加消去O2的环节，还可以产生更多的活性成分进行应用，甚至有望进一步简化装置产生射流。
附图说明
图1为常规的大气压冷等离子体射流装置的示意图；其中，1-石英介质管，2-第一铜环(高压电极)，3-第二铜环(地电极)。
图2为本发明中放电结构主体(单个套管单元)的示意图。
图3为本发明的一个实施例的简化示意图(图中未示意铜环，可参考图2)。
图4为导电堵头的示意图(立体视角)。
图5为导电堵头的示意图(平面视角)。
图6为图3所示实施例采用4.5kV脉冲电源(频率为30kHz，脉宽为1us)激励的六个出射孔分别的射流发射光谱，其中a)、b)、c)、d)、e)、f)分别对应于六个出射孔。
图7为图3所示实施例采用5.5kV脉冲电源(频率为30kHz，脉宽为1us)激励的空气放电等离子体发射光谱。
以上图2-图5中：1-气泵；2-通气管；3-导电堵头；301-堵头本体；302-环形凸部；303-轴向通孔；4-套管单元；401-石英介质管；402-不锈钢毛细管；403-铜环。
具体实施方式
下面通过简要介绍本申请的部分研发过程，再结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明。
考虑到图1所示装置以空气作为工作气体时存在的问题，本发明设计的介质阻挡放电基本结构如图2所示，使用一个空心的不锈钢管作为高压级，外面套上一个石英管作为介质，在靠近不锈钢管的端部的石英管外套上铜环作为地极，在不锈钢管内通工作气体。
试验初时采用的不锈钢管内径3mm，通过气体流量计将气体流量大概控制在1L/min左右，采用10kHz的正弦交流电源。首先进行了He的放电实验，实验结果是，在6kV电压时观察到了He的等离子体射流。随后，将工作气体由He改为空气，在6kV电压时并没有发生放电现象，持续升高电压到15kV仍然没有放电现象，在接近20kV的电压时，出现了微小的放电。
为此，发明人考虑了两种降低放电电压的思路。第一种是将地极的距离靠近高压级端口或者改变铜环地极的宽度，第二种是减小石英介质管的厚度。两种思路的基本原理都是减小高压级和地极之间介质的厚度，从而减小介质阻挡放电的产生电压。
对于上述第一种思路，多次实验结果表明，将地极与不锈钢管口靠近乃至平齐可以明显降低点火电压。这一结果可以解释为，因为当地级处在不锈钢管口处时，高压级和地级之间的距离较近，之间的石英介质的厚度较小，介质阻挡放电的点火电压也就相对减小了。基于此，再对地极的宽度进行调整，多次实验表明，地极的宽度对于点火电压的影响并不大。
对于上述第二种思路，考虑到石英管易碎的特性，需要同时减小它的尺寸或者说内径和外径，也就需要同时减小不锈钢管的尺寸。经过多次尝试，当采用稍小尺寸的石英介质管和不锈钢管时，空气放电的点火电压降低到了10kV，在15kV时观察到了比较明显的放电现象。此时可以闻到明显的臭氧味，说明放电产生了较多臭氧，说明产生了等离子体。后续通过优化石英管和不锈钢管的尺寸以及电源类型，使点火电压得到了进一步的降低。设计不同尺寸的装置，采用10kHz的正弦交流电源，分别测定点火电压，实验结果如表1所示。
表1石英介质管、不锈钢毛细管不同尺寸对放电点火电压的影响
| 石英管(mm) | 不锈钢毛细管(mm) | 点火电压(kV) |
| 1.5/1(厚度0.25mm) | 0.8/0.5 | 3.9 |
| 2/1(厚度0.5mm) | 0.8/0.5 | 4.2 |
| 3/1(厚度1mm) | 0.8/0.5 | 5.3 |
| 1.5/1(厚度0.25mm) | 0.7/0.5 | 3.1 |
| 1.5/1(厚度0.25mm) | 0.7/0.4 | 3.9 |
注：表中石英介质管的内径与不锈钢毛细管的外径并不一致，理论上存在极微小的间隙，实际上由于管壁不可能绝对光滑准直，因此这一极微小的间隙既有利于套接安装，也足以使二者套装后在一定程度上相对固定。
通过测定，石英介质管选用厚度0.25mm(外径1.5mm、内径1mm)，不锈钢毛细管选用外径0.7mm、内径0.5mm尺寸时放电的点火电压较低。在5kV左右电压时，这一装置就可以观察到较为明显的放电现象。
不过，观察到的一个明显的不符合预期的现象是，放电只在高压级和地级之间产生，也就是说，空气放电并没有像He放电一样产生明显可见的等离子体射流。而在之前的实验中，当提高外加的电压时，He的等离子体射流长度明显增加了。但对于空气放电，外加电压的大幅度提高并没有使空气射流出现，直至石英介质管击穿损坏，放电仍然只在高压级和地级之间的区域发生，只是放电的现象更明显而已。这一实验结果表明，提高电压并不能产生明显的空气射流。
为了研究目前装置不能产生空气射流的原因，发明人又进行了He、Ar、N2和空气四种工作气体的放电实验，对相应的等离子体射流特性进行了分别的研究和对比性研究。研究表明，He、Ar等离子体射流属于电场驱动等离子体射流，其射流长度受电场的影响非常明显，随着电压的逐渐提高，射流的长度逐渐变长；而N2只能产生微弱的射流，其射流长度受气流流速的影响较大而受电场的影响小，随着电压的提高，射流的长度几乎不受影响，仅仅是放电的现象会变明显。
考虑到空气中主要成分为N2，发明人推测空气等离子体射流的特性可能更接近N2等离子体射流，于是尝试调整空气的气流量，但依然没有出现空气射流。实际上，由于不锈钢毛细管内径仅为0.5mm，通入1L/min就已经是很大的气流量了，在毛细管内气体的流速非常快。当通入1L/min的Ar时，管口会有非常明显的气体湍流导致的声音；当工作气体改为He，增大气流量时，射流的长度甚至会因为气体湍流而变短。因此，当工作气体为空气时没有射流的出现很可能并不是气流量太小造成的。
发明人注意到，N2与空气的不同之处在于空气中还存在约21％的O2，而O具有强电负性，容易吸收电子，可能对于等离子体放电反应的进行有一定的阻碍作用。为了研究O2对于等离子体射流的影响，以He作为工作气体做对照实验。He气流量为1L/min，并加入15mL/min的O2，进行放电实验，发现在2kV时没有He等离子体射流，提高电压，He等离子体射流逐渐出现；将O2的气流量提高到25mL/min，则观察不到He等离子体射流，当电压提高到10kV时，He等离子体射流依然没有出现。这一实验的结果表明，O2对抑制等离子体射流的效果非常明显，在He：O2体积比为200：5时He等离子体射流的出现就非常难了。所以，基于上述装置要使空气产生射流难度比较大。
最终，发明人考虑以较大气流将空气放电产生的等离子体“吹出”的方式形成射流。但是，在较低点火电压的前提下，图2所示结构限定了较小内径的不锈钢毛细管。这一非常小尺寸的不锈钢毛细管极大限制了装置的气流通道的大小，这就意味着在一定的气流量下气体的流速会比较快，一方面可能导致气体在放电区域停留的时间很短暂，放电的反应并不非常完全，另一方面气流量可能不足以将等离子体“吹出”。
最终本发明的解决方案是：
图2所示结构作为一个套管单元，将多个套管单元集成在一起，相应的多个进气口并为一个进气口，多个套管单元的高压电极和地电极分别连接起来，从而可以等效地增大气流通道，也就解决了气流量的问题，同时集成后的装置仍然具有较小的不锈钢毛细管尺寸和石英介质管尺寸，可以实现在较低电压下的空气放电。
具体如图3所示，该空气射流放电产生装置，包括气泵、通气管、导电堵头和六个套管单元；气泵用于向通气管内送入空气；通气管的输入端口与气泵密封固定，通气管的输出端口与导电堵头密封固定；导电堵头上设置有与六个套管单元数量相等的轴向通孔；每个套管单元包括石英介质管、不锈钢毛细管和铜环，其中不锈钢毛细管的外径与石英介质管的内径相适配使二者相对固定，石英介质管和不锈钢毛细管的前端插入导电堵头上的轴向通孔，并使不锈钢毛细管与导电堵头焊接固定；石英介质管的后端超出不锈钢毛细管的后端，铜环设置于石英介质管的外壁并靠近不锈钢毛细管的后端；导电堵头外接高压电源，使得导电堵头以及多个不锈钢毛细管整体作为高压电极；多个铜环并联作为地电极。
优选的，采用两个DC3V供电的气泵，单个气泵的气流量约为600mL/min，通电后就能够持续稳定地将周围环境中的空气送入通气管以及不锈钢毛细管中，并将放电区域产生的物质吹出装置。当然，这两个气泵可以任意更换为其他气流量的气泵，还可以通过气孔连接使用其他可调气流量的气泵装置，也可以使用其他类型的抽气装置，应用上可以比较灵活。
另外，通气管也可采用石英管，作为气体的通道，还起到隔开高压电极与进气部分的作用。如图4、图5所示，导电堵头的本体为圆柱形，在其一侧端面具有环形凸部，该环形凸部的外径与通气管的内径相适配，使得该环形凸部能够恰好插入通气管的输出端口；所有轴向通孔均位于环形凸部内侧的导电堵头本体区域。在环形凸部与本体相接处涂密封胶即可实现通气管与导电堵头的可靠密封固定；所有石英介质管的前端面均分别与导电堵头的另一侧端面相接，在相接部位也涂密封胶即可实现套管单元与导电堵头的可靠密封固定。
优选的，高压电源采用脉冲电源。多次实验表明，相同频率的正弦交流电源与脉冲电源相比，脉冲电源的点火电压更低，更容易产生等离子体放电。脉宽和频率都影响点火电压，且当频率不变时脉宽越大点火电压越低，脉宽不变时频率越高点火电压越低。
该装置使用频率为30kHz、脉宽为1us的4.5kV脉冲电源，在发射光谱检测的实验中，对各个孔的射流放电发射光谱进行检测，确定了本发明装置具有较好的放电均一性，如图6所示。
对于4.5kV电压下的脉冲电源和正弦交流电源激励下产生的空气放电等离子体，使用测温枪进行了温度的测量，测得其温度分别为296.85K(23.7℃)和297.25K(24.1℃)，与室温(296.75K即23.6℃)非常接近。6kV电压下的脉冲电源激励下产生的空气放电等离子体的温度为298.55K(25.4℃)，与室温(298.35K即25.2℃)非常接近。
将频率为30kHz、脉宽为1us的5.5kV脉冲电源条件下的空气放电发射光谱图添加标示，如图7所示。通过对比N2放电，空气放电的发射光谱图主要含有的特征谱线是位于波长308nm处的OH基团的特征谱线和波长300nm-600nm(337nm、357nm、380nm、399nm和404nm)的N2的特征谱线。虽然肉眼的观察上，空气放电和N2放电的现象几乎完全相同，但是空气放电的发射光谱图相比于N2放电的发射光谱图，发射光谱强度明显较小，不仅N2的特征谱线小了很多，OH基团的谱线也小了很多，说明空气放电比2放电要弱很多，这也再次证实了空气中的氧气对于空气等离子体放电反应有非常强的抑制作用。在波长777nm的位置几乎没有O的特征谱线，说明空气放电也只产生了极少量的激发氧原子成分。
在本实施例的基础上，还可进一步优化。例如，可以增加孔数(套管单元的数量)，获得更加大的等效的气流通道，提高气流量，从而提升应用效果；可以增加便携的电源模块，使得装置做到便携化，在任何场合发挥效用；还可以增加消去O2的环节，消耗进入装置的O2，从而可以产生更多的活性成分进行应用，甚至有望进一步简化装置产生射流。
Claims (11)
1.一种空气射流放电产生装置，其特征在于：包括气泵、通气管、导电堵头和多个套管单元；所述气泵用于向通气管内送入空气；所述通气管的输入端口与气泵密封固定，通气管的输出端口与导电堵头密封固定；导电堵头上设置有与所述多个套管单元数量相等的轴向通孔；所述多个套管单元均与导电堵头密封固定；
每个所述套管单元包括石英介质管、不锈钢毛细管和铜环，其中不锈钢毛细管的外径与石英介质管的内径相适配使二者相对固定，不锈钢毛细管的前端超出石英介质管的前端，石英介质管的后端超出不锈钢毛细管的后端；不锈钢毛细管伸出石英介质管前端的部分插入并穿过导电堵头上的所述轴向通孔，轴向通孔与不锈钢毛细管的径向尺寸相适配使二者满足接触导电；
所述导电堵头外接高压电源，使得导电堵头以及多个不锈钢毛细管整体作为高压电极；
所述铜环设置于石英介质管的外壁，并与所述不锈钢毛细管的后端平齐，或者铜环位于不锈钢管的端口以外不超过3mm的位置；多个铜环并联作为地电极。
2.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述导电堵头的一侧端面具有凸部，该凸部的外径与通气管的内径相适配，使得该凸部能够恰好插入所述通气管的输出端口。
3.根据权利要求2所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述凸部为环形结构，所述轴向通孔均位于环形凸部内侧的导电堵头本体区域。
4.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述多个套管单元中相应的多个铜环为一体件。
5.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述多个套管单元的石英介质管与导电堵头的端接处均采用密封胶实现密封固定。
6.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述石英介质管的厚度为0.2-0.5mm，不锈钢毛细管的内径为0.4-0.6mm。
7.根据权利要求6所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述石英介质管的厚度为0.25mm，不锈钢毛细管的内径为0.5mm。
8.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述多个套管单元的后端整体续接合并为一个单孔出口。
9.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述气泵的前端还设置有除氧装置，用于尽可能降低进入通气管内的氧含量。
10.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：所述高压电源为脉冲电源，幅值3-6kV。
11.根据权利要求1所述的空气射流放电产生装置，其特征在于：通入通气管的气流量为1-1.5L/min。
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