CN110662336A - 一种激光谐振腔电离装置及方法 - Google Patents

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黄民双
宋晓鹏
钱杨
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes

Abstract

本发明公开了一种激光谐振腔电离装置及方法，所述的外管(1)、第二管(2)与中心管(3)由外至内同轴设置，所述的外管(1)连接法兰(7)；中心管(3)内构成水进料腔(4)，第二管(2)与中心管(3)间构成水溢出腔(5)，外管(1)与第二管(2)间构成空气进料腔(6)；所述的法兰(7)中心设置激光谐振腔(8)；所述的激光谐振腔(8)下部区域设置等离子体放电区；所述的激光谐振腔(8)上方设有上开口，下方设有下开口，侧面设有激光入射口(10)；所述的激光入射口(10)的入射方向偏离激光谐振腔(8)的截面轴心，激光沿弦的方向入射至等离子体放电区。操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。

Description

一种激光谐振腔电离装置及方法
技术领域
本发明涉及等离子体结构技术领域，尤其涉及一种激光谐振腔电离装置及方法。
背景技术
低温等离子体法在化学过程、材料处理、材料合成以及军事等方面具有广泛应用，目前产生等离子的方法基本是采用强电场作用下的放电方法，如辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电和微波放电等，但这些方法需要电能。而利用光能特别是太阳光能来产生等离子体的方法目前还很难得到应用，因为激光诱导击穿水等介质需要很高的阈值；另一方面，由于光直接作用于电离介质，当物质为气态或液态时，大部分的激光会透过气体或液体，由于气体中分子(原子)密度小，导致光子与气体分子(原子)相互作用的几率小，因而导致激光利用率过低。
因此，如何提高激光光子与物质的相互作用是利用光能来诱导电离产生等离子体的有效解决办法之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光谐振腔电离装置及方法，操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种激光谐振腔电离装置，包括外管1、第二管2、中心管3、法兰7与激光谐振腔8；
所述的外管1、第二管2与中心管3由外至内同轴设置，所述的外管1连接法兰7；中心管3内构成水进料腔4，第二管2与中心管3间构成水溢出腔5，外管1与第二管2间构成空气进料腔6；
所述的法兰7中心设置激光谐振腔8；所述的激光谐振腔8下部区域设置等离子体放电区；所述的激光谐振腔8上方设有上开口，下方设有下开口，侧面设有激光入射口10；
所述的激光入射口10的入射方向偏离激光谐振腔8的截面轴心，激光沿弦的方向入射至等离子体放电区。
所述的激光谐振腔电离装置，还包括阳极11与阴极12，所述的阳极11固定在激光谐振腔8上开口的上方，阳极11的末端偏离激光谐振腔8上开口轴线设置；
所述阴极12设于中心管3水面下方。
一种激光谐振腔电离方法，包括；
泵入的水和空气混合成为电离介质，吹入等离子体放电区；
激光从激光谐振腔侧面射到等离子体放电区与电离介质发生碰撞，碰撞之后产生的重粒子与光子经激光谐振腔内壁反弹继续不断发生碰撞，在激光谐振腔的辅助作用下，光子与电离介质不断重复碰撞发生预电离；
不断更新的电离介质持续电离形成放电通道产生等离子体，在谐振腔内形成等离子体放电通道。
通过在增设的阳极和阴极上加载电压，在等离子放电区域形成非均匀电场。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种激光谐振腔电离装置及方法，操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。
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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例一提供的激光谐振腔电离装置的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的激光谐振腔电离装置的结构示意图。
具体实施方式
下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
实施例一
如图1所示，一种激光谐振腔电离装置，包括外管1、第二管2、中心管3、法兰7与激光谐振腔8；所述的外管1、第二管2与中心管3由外至内同轴设置，外管1、第二管2与中心管3材料为绝缘材料包括玻璃与石英等等，为了保证法兰7与外管1的密封性，法兰7采用的材料为聚四氟乙烯。
所述的外管1连接法兰7；中心管3内构成水进料腔4，水由水进料腔4泵入；第二管2与中心管3间构成水溢出腔5，溢出的水由水溢出腔5流出；外管1与第二管2间构成空气进料腔6；空气由空气进料腔6泵入。
所述的法兰7中心设置激光谐振腔8；激光谐振腔8为球形；所述的激光谐振腔8下部区域设置等离子体放电区；所述的激光谐振腔8上方设有上开口，下方设有下开口，侧面设有激光入射口10；
所述的激光入射口10的入射方向偏离激光谐振腔8的截面轴心，也就是偏离球心，具体的控制偏离角度在30度左右，偏离一小段距离，可以使激光沿弦的方向入射至等离子体放电区，同时可经不断的反射。
具体的本例的一种激光谐振腔电离方法，包括；
泵入的水和空气混合成为电离介质，吹入等离子体放电区；具体的水由水进料腔4泵入，空气由空气进料腔6泵入，在中心管3上方区域混合成电离介质，并由激光谐振腔8的下开口吹入激光谐振腔8下方的等离子体放电区。
激光从激光谐振腔侧面射到等离子体放电区与电离介质发生碰撞，碰撞之后产生的重粒子与光子经激光谐振腔内壁反弹继续不断发生碰撞，在激光谐振腔的辅助作用下，光子与电离介质不断重复碰撞发生预电离；具体的激光由激光谐振腔8侧面的激光入射口10射到等离子体放电区，与电离介质发生碰撞，在激光谐振腔8的辅助作用下不断的反射，光子与电离介质不断重复碰撞发生预电离。
不断更新的电离介质持续电离形成放电通道产生等离子体，在谐振腔内形成等离子体放电通道9。等离子体放电通道9沿激光谐振腔8上方的上开口流出。
实施例二
如图2所示，一种激光谐振腔电离装置，包括外管1、第二管2、中心管3、法兰7与激光谐振腔8；所述的外管1、第二管2与中心管3由外至内同轴设置，外管1、第二管2与中心管3材料为绝缘材料包括玻璃与石英等等，为了保证法兰7与外管1的密封性，法兰7采用的材料为聚全氟乙丙烯。
所述的外管1连接法兰7；中心管3内构成水进料腔4，水由水进料腔4泵入；第二管2与中心管3间构成水溢出腔5，溢出的水由水溢出腔5流出；外管1与第二管2间构成空气进料腔6；空气由空气进料腔6泵入。
所述的法兰7中心设置激光谐振腔8；激光谐振腔8为球形；所述的激光谐振腔8下部区域设置等离子体放电区；所述的激光谐振腔8上方设有上开口，下方设有下开口，侧面设有激光入射口10；
所述的激光入射口10的入射方向偏离激光谐振腔8的截面轴心，也就是偏离球心，具体的控制偏离角度在30度左右，偏离一小段距离，可以使激光沿弦的方向入射至等离子体放电区，同时可经不断的反射。
本例中，还包括阳极11与阴极12，所述的阳极11固定在激光谐振腔8上开口的上方，距离大约为5mm，阳极材料为铜，阳极11的末端偏离激光谐振腔8上开口轴线设置；具体偏离一小段距离，大约1mm，防止干扰等离子体放电通道9。
所述阴极12设于中心管3水面下方，约5mm。所述阴极12采用镍板提供电流，镍板置于中心管水面下小段距离。
具体的本例的一种激光谐振腔电离方法，包括；
泵入的水和空气混合成为电离介质，吹入等离子体放电区；具体的水由水进料腔4泵入，空气由空气进料腔6泵入，在中心管3上方区域混合成电离介质，并由激光谐振腔8的下开口吹入激光谐振腔8下方的等离子体放电区。
通过在增设的阳极和阴极上加载电压，一般用输出电压为6kV的稳压直流电源供电，在等离子放电区域形成非均匀电场，具体的在阳极11与阴极12上加载电压，在等离子放电区域形成非均匀电场。
激光从激光谐振腔侧面射到等离子体放电区与电离介质发生碰撞，碰撞之后产生的重粒子与光子经激光谐振腔内壁反弹继续不断发生碰撞，在激光谐振腔的辅助作用下，光子与电离介质不断重复碰撞发生预电离；具体的激光由激光谐振腔8侧面的激光入射口10射到等离子体放电区，与电离介质发生碰撞，在激光谐振腔8的辅助作用下不断的反射，光子与电离介质不断重复碰撞发生预电离。
不断更新的电离介质持续电离形成放电通道产生等离子体，在谐振腔内形成等离子体放电通道9。等离子体放电通道9沿激光谐振腔8上方的上开口流出
本发明将等离子体放电区设于激光谐振腔8内，入射到等离子体放电区的激光在激光谐振腔8内振荡产生谐振，外部入射补充光能将使得激光谐振腔8内的光不断获得增益，激光得到不断放大，达到电离介质的击穿阈值，另外由于激光在激光谐振腔8内振荡发生谐振，使得激光与该等离子体放电区内的电离介质(例如水等透明介质)反复作用，增加了激光与电离介质的碰撞几率，从而提高激光的利用率。同时使得电离介质中的重粒子不断获得能量，形成预电离状态，并且产生大量的初始电子，在激光的持续作用下形成等离子体放电通道，实现持续稳定的放电产生等离子体。
具体来说，等离子体放电区的作用在于，当激光射入激光谐振腔8内部的等离子体放电区，在等离子体放电区内，光子不断与电离介质进行碰撞，碰撞之后光子被激光谐振腔8内部反射回来继续与电离介质进行碰撞。激光谐振腔8的存在使得光与介质中的重粒子碰撞的机会增加，通过碰撞将光能量不断提供给介质中的重粒子，使得光子得到充分的利用，如此不断重复的碰撞使电离介质发生预电离，激光谐振腔8对整个电离过程都有增益效果。除此之外，还可在等离子体放电区两端施加电极，对预电离过程产生引导作用，利用电场点火，目的是减小激光电离阈值。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种激光谐振腔电离装置，其特征在于：包括外管(1)、第二管(2)、中心管(3)、法兰(7)与激光谐振腔(8)；
所述的外管(1)、第二管(2)与中心管(3)由外至内同轴设置，所述的外管(1)连接法兰(7)；中心管(3)内构成水进料腔(4)，第二管(2)与中心管(3)间构成水溢出腔(5)，外管(1)与第二管(2)间构成空气进料腔(6)；
所述的法兰(7)中心设置激光谐振腔(8)；所述的激光谐振腔(8)下部区域设置等离子体放电区；所述的激光谐振腔(8)上方设有上开口，下方设有下开口，侧面设有激光入射口(10)；
所述的激光入射口(10)的入射方向偏离激光谐振腔(8)的截面轴心，激光沿弦的方向入射至等离子体放电区。
2.根据权利要求1所述的激光谐振腔电离装置，其特征在于，还包括阳极(11)与阴极(12)，所述的阳极(11)固定在激光谐振腔(8)上开口的上方，阳极(11)的末端偏离激光谐振腔(8)上开口轴线设置；
所述阴极(12)设于中心管(3)水面下方。
3.一种激光谐振腔电离方法，其特征在于，包括；
泵入的水和空气混合成为电离介质，吹入等离子体放电区；
激光从激光谐振腔侧面射到等离子体放电区与电离介质发生碰撞，碰撞之后产生的重粒子与光子经激光谐振腔内壁反弹继续不断发生碰撞，在激光谐振腔的辅助作用下，光子与电离介质不断重复碰撞发生预电离；
不断更新的电离介质持续电离形成放电通道产生等离子体，在谐振腔内形成等离子体放电通道。
4.根据权利要求3所述的激光谐振腔电离方法，其特征在于，包括；
通过在增设的阳极和阴极上加载电压，在等离子放电区域形成非均匀电场。
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