CN110430651B - 平行板dbd等离子体发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及等离子技术领域，本发明公开了一种平行板DBD等离子体发生器，包括气体输入端口、上极板和下极板，所述气体输入端口用于提供工作介质，其特征在于，所述气体输入端口位于上极板中轴线上，所述上极板和气体输入端口之间安装有集气罩，所述上极板分布有气孔，所述工作介质通过所述气孔填充到上极板和下极板之间。本发明的有益效果是，能够形成稳定均匀的介质分布，解决了平行板DBD等离子体发生器极板之间气体介质分布的均匀性问题，有利于提高等离子体流的连续性和稳定性。特别是通过选择极板气孔的分布形式，可以进一步提高工作介质分布均匀性。本发明的平行板DBD等离子体发生器可以广泛地适用于直流到微波频率的激励源。

Description

平行板DBD等离子体发生器
技术领域
本发明涉及等离子技术领域，特别涉及基于介质阻挡放电(Dielectric BarrierDischarge，DBD)技术的等离子体发生器，具体而言，涉及平行板DBD等离子体发生器。
背景技术
介质阻挡放电(DBD)是在两个电极之间插入介质阻挡层，当两个电极之间的电压达到一定数值时产生的一种放电现象。当两个电极之间存在工作介质(如惰性气体等)，在适当条件下就可以产生等离子体流。
平行板DBD等离子体发生器就是基于介质阻挡放电的等离子体源，系统主要由两个平行的平板电极构成，分别称为上极板和下极板，介质阻挡层通常位于上极板和下极板之间，也可以置于下极板上。这种等离子体源在高压激励源驱动下，随着供给电压的升高，系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化，即会由绝缘状态逐渐至放电最后发生击穿。
当供给的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子体反应，此时的电流为零。随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但未达到反应气体的击穿电压时，两电极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞，缺乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加，因此，反应气体仍然为绝缘状态，无法产生放电，此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加，但几乎为零。若继续提高供给电压，当两电极间的电场大到足够使气体分子进行非弹性碰撞时，电子将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加。当空间中的电子密度高于一临界值及帕邢(Paschen)击穿电压时，便产生许多微放电丝导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光的现象。此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增加。
在介质阻挡放电中，当击穿电压超过帕邢(Paschen)击穿电压时，大量随机分布的微放电就会出现在电极间隙中，这种放电的外观特征远看貌似低气压下的辉光放电，氩气气氛下发出接近蓝色的光。近看，则由大量呈现细丝状的细微快脉冲放电构成。只有在电极间的气隙均匀(包括极板的平整度和均匀的气体密度)的情况下，放电才是均匀、漫散和稳定的。这些微放电是由大量快脉冲电流细丝组成，而每个电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，放电通道基本为圆柱状，其半径约为0.1～0.3mm，放电持续时间极短，约为10～100ns，但电流密度却可高达0.1～1kA/cm2，每个电流细丝就是一个微放电，在介质表面上扩散成表面放电，并产生均匀稳定的等离子体流。介质基板能有效地限制放电电流的无限增长，避免了在高气压下形成电弧放电或火花放电，起到了镇流作用，提高了放电稳定性和系统运行效率。
平行板DBD等离子体发生器主要用于臭氧合成，大功率紫外光源，等离子体显示，材料处理如材料表面改性、清洗和亲水改性，废气处理和气相沉积等。
现有技术的平行板DBD等离子体发生器，由于极板之间的气体分布不均匀，在极板间产生的等离子体流也不均匀，等离子体流连续性和稳定性较差，特别是在极板面积比较大的情况下，这些问题更突出。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种平行板DBD等离子体发生器，以解决平行板DBD等离子体发生器极板之间气体介质分布的均匀性问题，提高系统等离子体流的连续性和稳定性。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种平行板DBD等离子体发生器，包括气体输入端口、上极板和下极板，所述气体输入端口用于提供工作介质，其特征在于，所述气体输入端口位于上极板中轴线上，所述上极板和气体输入端口之间安装有集气罩，所述上极板分布有气孔，所述工作介质通过所述气孔填充到上极板和下极板之间。
在某些实施例中，所述上极板的气孔围绕中轴线均匀分布。
在某些实施例中，距离所述中轴线距离相等的位置，气孔孔径相同。
在某些实施例中，距离所述中轴线越远，气孔孔径越大。
在某些实施例中，所述气孔出气端具有倒角结构。
在某些实施例中，所述上极板和/或下极板为圆形极板。
在某些实施例中，上极板和下极板相对面边沿具有倒角结构。
在某些实施例中，所述集气罩是以上极板为下底，气体输入端口为上底的空心圆台。
在某些实施例中，所述上极板和/或下极板置于调节机构上，所述调节机构用于调节上极板和下极板之间的距离。
在某些实施例中，所述调节机构为螺纹调节机构。
在某些实施例中，所述上极板和下极板置于可拆卸结构上，便于更换不同大小的上极板和下极板。
在某些实施例中，上极板和下极板置于可拆卸结构上，便于更换不同大小的上极板和下极板。
本发明的有益效果是，工作介质(气体)在集气罩的约束下，通过上极板或下极板上的气孔进入极板之间，能够形成稳定均匀的介质分布，有利于提高等离子体流的连续性和稳定性。采用有孔极板的结构形式，特别是通过选择极板气孔的分布形式，可以进一步提高工作介质分布均匀性。进一步的，上极板和/或下极板置于调节机构上，可以根据不同的应用场景调节极板之间的距离得到稳定连续的等离子体流。本发明的平行板DBD等离子体发生器可以广泛地适用于直流到微波频率的激励源。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例的平行板DBD等离子体发生器结构示意图；
图2为图1中上极板结构示意图；
图3为图2的后视图；
图4为图1中上极板和集气罩的局部剖视图。
附图中：
1——上极板；
2——下极板
3——介质阻挡层；
4——气体输入端口；
5——N型接头；
6——激励源；
10——气孔；
11——上极板边沿的倒角结构；
14——集气罩；
25——N型接头的介质层；
51——屏蔽层；
52——N型接头内导体；
101——气孔出气端的倒角结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中描述的上极板和下极板，不具有位置关系的限定作用。与气体输入端口连接的极板称为上极板，并且通常置于下极板的上方，以便于气体输送和扩散。一般上极板和下极板都与地面平行，并且介质阻挡层通常置于下极板上，以便作为工作面用于承载试验样品或物料。
实施例
如图1所示，本例平行板DBD等离子体发生器，包括气体输入端口4、上极板1、下极板2、介质阻挡层3以及激励源6和N型接头5。
本例中，上极板1、下极板2、介质阻挡层3均为圆形，气体输入端口4也是圆形
激励源6热端通过N型接头内导体52与下极板2连接，N型接头的屏蔽层51接地，屏蔽层51和内导体52之间填充介质层25，本例介质层25采用聚四氟乙烯。
激励源6接地端与上极板1连接。在激励源6的作用下，上极板1和下极板2之间可以建立一定的工作电压。
本例介质阻挡层3置于下极板2上，能够有效地限制放电电流的无限增长，避免在高气压下形成电弧放电或火花放电，起到了镇流作用，提高了放电稳定性和运行效率。
图1中，气体输入端口4位于上极板1中轴线PP上，通过管道与气源连接，为等离子体发生器提供工作介质。
本例中，上极板1和气体输入端口4之间安装有集气罩14，用于约束工作介质，避免气体溢出。
本例集气罩是以上极板1为下底，气体输入端口4为上底的圆台。
本例上极板1和下极板2都置于螺纹调节机构上(图中未示出)，可以非常方便的调节调节上极板1和下极板2之间的距离，以适应不同的工作电压和气体种类。
如图2所示，上极板1上分布有气孔10，工作介质通过气孔10填充到上极板1和下极板2之间，在高压电场的作用下就可以产生稳定等离子体流。
为了提高工作介质分布的均匀性，提高等离子体流的连续性和稳定性，本例中，上极板1的气孔10围绕中轴线PP均匀分布，参见图2和图3。
在距离所述中轴线PP距离相等的位置，气孔孔径相同。如图3中，标号为A的气孔，具有相同的直径A，到中轴线PP的距离为a；标号为B的气孔，具有相同的直径B，到中轴线PP的距离为b。如图3所示。
由图2和图3可见，本例中，距离中轴线PP越远，气孔孔径越大，如图3中，气孔B的直径B就大于气孔A的直径A，即b＞a；B＞A。
本例这种气孔分布结构，大大提高了上极板1和下极板2之间气体分布的均匀性，气体放电更加均匀、连续，产生的等离子体流也更加稳定和均匀，有利于提高系统的效率和工作的稳定性。
根据不同的气体输送压力和上极板大小，合理选择气孔孔径和集气罩与上极板的夹角α，参见图4，可以进一步提高气体分布的均匀性。
为了避免尖端放电，本例气孔10出气端具有倒角结构101，如图4所示。这种倒角结构101，不但能够有效避免尖端放电的产生，而且有利于气体扩散，进一步提高气体分布的均匀性和等离子体流的稳定性。
同样的道理，在上极板1和下极板2相对面边沿加工倒角结构11，也可以消除边沿的尖端放电对系统稳定性的影响。
本发明的平行板DBD等离子体发生器，通过改进气体输送方式，特别是通过提高气体分布的均匀性，大大增强了等离子体流的稳定性和连续性，系统效率和稳定性都得到了提高。进一步采用调节机构调整上极板和下极板之间的距离，可以非常方便的适应各种不同的工作环境，极大地提高了系统的适用范围。
本发明的平行板DBD等离子体发生器，上极板和下极板都可以通过可拆卸结构进行安装，便于根据不同的需要方便地更换上极板和下极板，如更换不同大小的极板，以获得不同的工作面和等离子体束流；更换不同孔径和分布的极板，以适应不同的工作介质等。

Claims (7)

1.平行板DBD等离子体发生器，包括气体输入端口、上极板和下极板，所述气体输入端口用于提供工作介质，其特征在于，所述气体输入端口位于上极板中轴线上，所述上极板和气体输入端口之间安装有集气罩，所述上极板分布有气孔，所述工作介质通过所述气孔填充到上极板和下极板之间，所述上极板的气孔围绕中轴线均匀分布，距离所述中轴线距离相等的位置，气孔孔径相同，距离所述中轴线越远，气孔孔径越大。
2.根据权利要求1所述的平行板DBD等离子体发生器，其特征在于，所述气孔出气端具有倒角结构。
3.根据权利要求1所述的平行板DBD等离子体发生器，其特征在于，所述上极板和/或下极板为圆形极板。
4.根据权利要求3所述的平行板DBD等离子体发生器，其特征在于，上极板和下极板相对面边沿具有倒角结构。
5.根据权利要求3所述的平行板DBD等离子体发生器，其特征在于，所述集气罩是以上极板为下底，气体输入端口为上底的空心圆台。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的平行板DBD等离子体发生器，其特征在于，所述上极板和/或下极板置于调节机构上，所述调节机构用于调节上极板和下极板之间的距离。
7.根据权利要求6所述的平行板DBD等离子体发生器，其特征在于，所述调节机构为螺纹调节机构。
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