CN110430654A - 一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种针‑环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置，包括：放电电极；所述放电电极包括：针电极和第一环电极，所述针电极的前端为圆锥状，所述针电极与第一环电极共轴放置，所述第一环电极中心位于所述针电极前端。本发明实施例采用异极性电位的针‑环电极，能够增强针电极尖端的电场强度；采用同电位的针‑环电极，则能够有效抑制侧向电场。以上两种措施均能有效增大尖端和侧向电场的差异性，形成稳定的大气压空气辉光放电等离子体射流。利用多组均匀布置的异极性针‑环电极，在针电极尖端形成了轴对称的空间电场分布，并且形成了均匀布置的阵列式等离子体射流。

Description

一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置

技术领域

本发明涉及气体放电技术领域，尤其涉及一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置。

背景技术

大气压辉光放电等离子体射流能够在电极外部的开放空间生成，而不是限制在狭窄的放电间隙内(如介质阻挡放电)，大大降低了对实验装置和被处理物结构尺寸的要求。当采用大气压辉光放电等离子体射流对生物体的皮肤、组织、器官及各种材料表面进行处理时，便利性及安全性得到显著提高。一般来说，单一电极形成的放电现象是围绕放电电极形成的电晕放电，不会在放电电极的尖端前形成直线型放电现象。在稳态直流的放电条件下，较难形成不局限于放电电极所构成的空间内的大气压空气等离子体射流。目前形成大气压辉光放电等离子体射流的一般方法是采用交流高压脉冲放电在流动的惰性气体环境中实现的。利用惰性气体或者氮气形成等离子体射流时，能够在空气和工作气体的分界面处形成有利于射流发展的气体环境，同时也存在气流向前输送带电粒子的问题。所以在惰性气体或者氮气中比较容易形成等离子体射流。同时在存在流动气体条件下生成的等离子体射流，对诸如病毒、细菌等进行处理时，可能会吹走这些生化污染物，也可能会造成二次污染。同时，对材料表面进行处理时，有可能吹散生成的活性基团，降低表面处理的均匀性和处理效率。考虑到在直流放电条件下由于不存在断续生成等离子体的问题，在全部的放电过程中形成的是稳态等离子体射流。因此，在直流放电条件下形成没有气体流动的大气压空气等离子体射流有着十分重要的意义。另一方面，为了满足大规模的工业应用的需求，有必要对等离子体射流进行大尺度的扩展。如果能够形成均匀分布的等离子体射流阵列，就能够大幅度提高等离子体的处理效率。但是目前对于阵列等离子体射流的研究中，射流的均匀性较低，中心的等离子体射流沿轴线方向发展，而边缘的等离子体射流会出现明显的发散现象。

发明内容

本发明的实施例提供了一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置，包括：放电电极；

所述放电电极包括：针电极和第一环电极，所述针电极的前端为圆锥状，所述针电极与第一环电极共轴放置。

优选地，所述第一环电极中心位于所述针电极前端。

优选地，所述装置还包括第二环电极，所述第二环电极位于所述第一环电极前方。

优选地，所述针电极与第一环电极、第二环电极共轴放置。

优选地，所述针电极后端通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，所述第一环电极通过金属导线接地或者通过接线柱与外电路的正高压端子相连接。

优选地，所述针电极后端通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，所述第一环电极通过金属导线接地或者通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，所述第二环电极通过金属导线接地。

优选地，所述放电电极采用导电性良好的金属材料制成。

优选地，所述第一环电极的横截面为中心对称。

优选地，所述第一环电极和第二环电极的横截面为中心对称。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置，采用异极性电位的针-环电极，能够增强针电极尖端的电场强度，采用同电位的针-环电极，则能够有效抑制侧向电场，以上两种措施均能有效增大尖端和侧向电场的差异性，形成稳定的大气压空气辉光放电等离子体射流。利用多组均匀布置的异极性针-环电极，在针电极尖端形成了轴对称的空间电场分布，并且形成了均匀布置的阵列式等离子体射流。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些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

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置结构示意图；

图2为包含图1所示的放电电极的放电电路图示意图；

图3为异极性电位针-环电极及周围空间的电场分布示意图；

图4为异极性电位针-环电极不同空间位置时的放电现象示意图；

图5为异极性电位针-环-环电极及周围空间的电场分布示意图；

图6为同电位针-环电极及周围空间的电场分布示意图；

图7为阵列电极周围的空间电场及电力线分布示意图；

图8为环形电极结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置，如图1所示。图1(a)为本发明的针-环式电极结构的二维示意图，其工作于大气压空气中，放电电极由针电极1和第一环电极2组成，环电极2半径为r，高度为h。针电极1为前端制成圆锥状的结构，该锥端为放电端，通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，针电极1尖端与第一环电极2中心的间距为d₁。针电极圆锥体的锥的尖端不易太尖，否则尖端和侧向电场的差异性较小，不利于等离子体射流的形成。针电极1的后端为圆柱体，圆柱体端通过接线柱与外电路的正高压端子相连接。第一环电极2的中心位于针电极1的前端，与针电极1共轴放置，第一环电极2通过金属导线接地或者通过接线柱与外电路的正高压端子相连接。

图1(b)为本发明的针-环-环式电极结构的二维示意图，针电极1为前端制成圆锥状的结构，第一环电极2的中心位于针电极1的前端，第二环电极3位于第一环电极2上方，针电极1与第一环电极2、第二环电极3共轴放置，环电极半径为r，第一环电极2高度为h₁，第二环电极3高度为h₂，针电极1尖端与第一环电极2环中心的间距为d₁，第一环电极2与第二环电极3的中心距为d₂。针电极1的后端为圆柱体，圆柱体端通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，第一环电极2通过金属导线接地或者通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，第二环电极3通过金属导线接地。

针电极1、第一环电极2和第二环电极3的材质采用良导电特性金属。

为便于理解，下面分别给出异极性和同极性针-环电极的详细尺寸。

针电极1是一种不锈钢针，具有圆柱形部分和圆锥形部分。圆柱形部分的直径为0.5毫米，锥形部分的长度为2.5毫米，尖端的直径约为0.2毫米。对于异极性的针-环电极，环电极采用不锈钢环，半径r＝5mm，高度h＝1.5mm，环电极中心位于针电极尖端前d₁＝-2mm处。对于同极性的针-环电极，环电极采用不锈钢环，半径r＝7.5mm，高度h＝2.5mm，环电极中心位于针电极尖端前d₁＝2.5mm处。放电电源采用直流放电形式，其具体放电电路如图2所示。直流电源的正极经针电极的末端连接10MΩ的电阻R，最后连接到电源的负极，电源负极接地。

采用本发明所述针-环电极，可以通过控制施加在环电极上电位的极性，环电极的半径以及针和环的空间位置，从而可以调整生成的等离子体射流的长度以及强度。在没有气流作用的直流条件下，正极性的等离子体射流直接形成于大气压空气中，放电所需的初始电子仅来源于空间，空间自由电子沿着电场线反方向运动到针电极尖端。等离子体射流从空间获取初始电子的能力容易受到周围空间遮挡物的影响，放电形成的等离子体射流是不稳定的。利用针-环电极形成的等离子体射流能够超出地电极，并且环电极可以为放电不断的提供初始电子，所以有利于形成稳定持续的等离子体射流。

1、异极性电位针-环电极，不同环电极半径下，等离子体生射流的生成效果

在放电实验过程中，对环电极半径为5mm的电极结构进行了放电实验研究，电极结构如图1(a)所示。针电极采用不锈钢针，直径为0.5mm、尖端长度为2.5mm，尖端曲率半径约为0.1mm。对于异极性的针-环电极，环电极采用不锈钢环，半径r＝5mm，高度h＝1.5mm，环电极中心位于针电极尖端前d1＝-2mm处。针电极及周围空间电场分布如图3所示。通常情况下，施加一定电压时，将在高压电极和地电极的间隙之间发生放电，而很难形成直线状的等离子体通道。从仿真结果可以看出，强电场区域始终位于高压电极的正前方，而不会像地电极方向偏移。由于放电始终沿着强电场区域所在的方向延展，所以通过控制高压电极的施加电压，形成了沿针电极尖端沿轴向并且超过地电极的放电通道。同时在高压电极前方设置地电极一方面显著增加了尖端的电场强度，从而增大了等离子体射流尖端和侧向电场的差异性，并为生成高密度的等离子体射流提供了大量的初始电子。另一方面由于针状电极的前端设置有地电位的环状电极，具有很好的安全性。

由于放电形成的等离子体通道可以把高电位向前传递，就好像把针电极逐渐向前延伸了似的，这样便在延展形成的等离子体通道的前部不断建立强电场区域，继续在通道前部发生新的碰撞电离，从而形成了直线状的等离子体射流。提高施加电压，传递到等离子体射流尖端的电位就越高，等离子体射流便会不断变长。

实验测得不同环电极半径下等离子体生成效果对比如表1所示。

表1针-环电极不同环电极半径下等离子体射流测量结果

由表1可知，在等离子体射流通道中，环电极半径为7mm时生成的等离子体长度相比于环电极半径为5mm时增加了45％。在针电极和环电极发生击穿放电之前，环电极的半径越大，针电极能够施加的最高电压也就越高，传递到等离子体射流尖端的电位就越高，等离子体射流便会不断变长，同时等离子体密度不断增加。

2、异极性电位针-环电极不同空间位置时，等离子体射流的生成效果

在放电实验过程中，分别将环电极中心置于针电极尖端正后方d₁＝-2mm处、尖端处、尖端正前方2mm处，放电现象分别如图4(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)所示。可以看出，电压为7kV时，环电极位于针电极尖端正后方d₁＝-2mm处生成的等离子体射流最短，约为5mm，随着环电极依次设置于针电极尖端d₁＝0mm处、尖端正前方d₁＝2mm处，等离子体射流长度不断变长。

表2针-环电极不同空间位置下等离子体射流测量结果

对于Ⅰ、Ⅱ中的放电现象来说，针电极尖端形成等离子体射流以后，由于Ⅰ中的等离子体射流尖端相对远离地电极，尖端电场强度下降较快，所以形成的等离子体射流也相对较短。同理对比Ⅱ、Ⅲ中的放电现象，Ⅲ中的放电随着等离子体射流的发展，逐渐接近地电极，等离子体射流尖端的电场强度不断增大。射流超过环状地电极后，则具有同Ⅱ中类似的发展过程，最终形成了更长的等离子体射流。

3、异极性电位针-环-环电极下，等离子体射流的生成效果

随着等离子体射流的发展，以下三个因素会减小尖端电场强度，使等离子体射流尖端和侧向电场的差异性减小，影响等离子体射流继续向前发展。一是等离子体射流逐渐远离地电极，尖端电场不断下降；二是等离子体通道有一定的阻抗，使传递到等离子体射流尖端的电位衰减；三是侧向放电会使等离子体通道的半径增大。那么如果在等离子体射流发展的过程中，减小尖端电场的衰减速度，增大等离子体射流尖端和侧向电场的差异性，将有利于等离子体射流的进一步发展。将环电极中心置于针电极尖端正前方d₁＝0mm处，进一步在地环电极2正前方处d₂＝5mm处设置一个半径r＝5mm，高度h＝1.5mm的环电极3，放电电极如图1(b)所示，电极及周围空间电场分布如图5所示。

随着等离子体射流的发展逐渐远离地环电极2后，又再次不断靠近地环电极3，使得下降的尖端电场强度又得到一定程度的增强，最终形成了长度为15mm的等离子体射流。未发生放电前，同电位的环电极2、3之间的电场很小，但是最终形成了超过环电极3的等离子体射流。这表明等离子体射流是在空间中不断向前延展电离而形成的，施加在电极上的电位能有效地传递到等离子体射流的尖端，使碰撞电离始终在等离子体通道尖端发生。

4、同电位针-环电极对等离子体射流形成的影响

针电极1与环电极2同电位，环电极2置于针电极尖端后d₁＝-2.5mm，半径r＝7.5mm，高度h＝2.5mm，电极结构如图1(a)所示。在针电极1前方3cm处设置一个目数为100目，丝径为0.08mm的接地不锈钢丝网。施加8kV的电压时，通过图6的电场分布可以看出，在针电极尖端设置同电位的环状电极之后，减小了针电极尖端侧面的电场强度，有效增大了尖端电场和侧向电场的差异性。等离子体通道侧向的电离能力减小，放电形成的等离子体通道不易变粗，有利于等离子体射流的发展。

与异电位针-环电极结构相比较，利用同电位的针-环电极，形成的等离子体射流需要施加较高的电压(异电位7kV，同电位12kV)。同电位的高压针-环电极结构的最外侧高电压环状电极具有一定的危险性。因此从安全性考虑，接下来的实验中我们把接地金属网去掉，在针电极尖端前设置一个半径r＝7.5mm，高度h＝2.5mm的环状地电极，该地电极与高压环电极的中心距d₂＝7mm，放电电极如图1(b)所示。同电位的环电极可以抑制尖端的侧向电场强度，射流在超过高压环电极后逐渐接地电极，尖端电场强度得到一定的增强，尖端和侧向电场强度的差异性更大，并且地电极可以为放电提供初始电子。最终利用针-环-环电极，施加8kV的电压，生成了一个等离子体密度较高，长度为14mm的等离子体射流。

5、阵列等离子体射流的生成效果

从以前的研究可知，在形成阵列式的等离子体射流时，一方面受到气流的影响，另一方面射流头部之间存在静电排斥力。导致中心的等离子体射流沿轴线方向发展，但是边缘的等离子体射流会出现明显的发散现象，这将极大的影响处理的均匀性以及处理效率。我们在没有气流的条件下，将多组异极性电位的针-环(接地)电极在横向和纵向上进行扩展组成阵列，各阵列单元的中心距为12mm。阵列电极周围的空间电场及电力线分布如图7所示。

阵列电极的布置方式以及阵列单元间距对阵列射流的形成有很大的影响。通过改善阵列电极空间电场分布的均匀性有助于生成均匀的等离子体射流。从电场仿真可以看出，在这样的电极布置方式下，各针电极尖端的空间电场分布呈中心对称分布，强电场区域始终位于尖端正前方。同时由于没有气流的作用，不会将带电粒子吹离针状电极轴线方向而导致阵列边缘的射流发生分散。因此最终形成了直线状的阵列等离子体射流，解决了以往阵列式等离子体射流中均会出现的等离子体射流的不均匀性。

环电极包括但不限于金属圆环电极，可以为一切中心对称的金属环状电极(如椭圆形、方形等)，同时环电极可延伸为筒电极或者喇叭状电极等，如图8(a)、(b)、(c)所示。

综上所述，本发明提出了一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置。分别采用同电位的针-环电极和异极性电位的针-环电极，均能够有效增大针电极尖端和侧向电场的差异性，有利于等离子体射流的形成及发展；在直流放电条件下形成了安全稳定的密度高的等离子体射流，能够应用于等离子体生物医学、材料表面处理等领域，具有较高的应用价值；采用多组异极性电位的针-环电极均匀布置的方式，形成了均匀的阵列式的大气压空气阵列等离子体射流，提高了处理效率，能够满足大规模的工业应用需求。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种针-环结构的大气压空气辉光放电等离子体射流装置，其特征在于，包括：放电电极；

所述放电电极包括：针电极和第一环电极，所述针电极的前端为圆锥状，所述针电极与第一环电极共轴放置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一环电极中心位于所述针电极前端。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二环电极，所述第二环电极位于所述第一环电极前方。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述针电极与第一环电极、第二环电极共轴放置。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述针电极后端通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，所述第一环电极通过金属导线接地或者通过接线柱与外电路的正高压端子相连接。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述针电极后端通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，所述第一环电极通过金属导线接地或者通过接线柱与外电路的正高压端子相连接，所述第二环电极通过金属导线接地。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放电电极采用导电性良好的金属材料制成。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一环电极的横截面为中心对称。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一环电极和第二环电极的横截面为中心对称。