CN111556641B - 一种低温范围的裸露电极型大气压等离子体发生器系统 - Google Patents
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Abstract
一种低温范围的裸露电极型大气压等离子体发生器系统属于大气压射频等离子体技术领域，其特征在于包括电源、气源、发生器、等离子体气体温度调节器，输出等离子体调节接头以及处理器，其中，发生器具有同轴型电极，内电极纵剖面呈“U”字形，冷却气体进入凹槽后通过沿径向开在内电极内的多层冷却通道后进入等离子体空间，以补充等离子体输出流量，所述调节接头用于调节输出等离子体纵向高度及输出角度，处理器把输出等离子体分为[‑200℃,0℃]，(0℃,50℃]两档分档处理，对输出等离子体气体温度和流量两个参量按优先级控制，据此确定非最优参量的修正期望值。本发明具有发生器结构简单、输出等离子体可调节及调节对象针对性、选择性强的优点。
Description
技术领域
一种低温范围的裸露电极型大气压等离子体发生器系统属于大气压射频等离子体技术领域。
背景技术
大气压低温等离子体射流发生器是近年来兴起的一种新的大气压低温等离子体放电技术，利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，在无固体边界约束的外界气体环境中作朝向工作区域的定向流动形成等离子体射流，在生物医学、材料表面处理、食品保鲜、消毒杀菌、废水处理等领域应用广泛。目前常用的低温等离子体射流源主要有两种，千赫兹电源驱动的介质阻挡放电型发生器和射频电源驱动的裸露电极型发生器。其中裸露电极型发生器即采用金属电极，在外加电源的驱动下使得工质气体放电产生等离子体，介质阻挡放电发生器则需在一个或者两个金属电极表面放置绝缘材料，如陶瓷、石英等，也可以在外加电源的驱动下使得工质气体放电产生等离子体。两者相比，裸露电极型发生器结构简单，需要冷却系统对电极进行冷却，容易产生均匀的辉光放电等离子体；而介质阻挡放电发生器击穿电压和维持放电所需的电压都较高，但由于其可以便捷地产生气体温度在室温范围的等离子体射流，例如20-40℃，被更广泛地应用于促进伤口愈合、口腔医学等方面的研究中[IEEE Trans.Plasma Sci.2019,47 4848-4860；Sci.Rep.2015,5 13849；Australas.Phys.Eng.Sci.Med.2018,41 905-917]。
随着近年来大气压低温等离子体在生物医学领域的蓬勃发展，设计一种等离子体发生器，使之能够产生气体温度可调控且温度覆盖范围较广(覆盖零下温度到室温范围)的等离子体的需求逐渐显现出来，以便适用于处理实际应用中多样化的温度敏感生物材料。已有的以生物应用为背景的大气压低温等离子体发生源的研究中，产生的等离子体平均气体温度变化往往集中在室温范围或者更高，例如用于消毒杀菌的大气压冷等离子体平均气体温度范围为20-28℃[J.Phys.D Appl.Phys.2012,45 165205]，用于诱变育种的等离子体射流平均气体温度在40℃以下[J.Appl.Microbio.2009 108 851-858]，因此需要对能产生平均气体温度范围在零下温度到室温之间的等离子体源进行研究。除了气体温度方面的要求，应用于生物领域的大气压冷等离子体发生系统还需具备以下特点：工作于开放环境下，便于与生物材料的接触及处理条件的控制；产生系统易于搭建，操作简单；产生的等离子体射流具有足够大的截面积从而对生物材料产生作用，一般要求在毫米量级及以上；等离子体射流柔和均匀，无丝状放电。
现有技术中，产生气体温度在室温的大气压等离子体技术已经比较成熟，而现有文献中用于产生气体温度低于室温的等离子体的装置/系统一般采用介质阻挡型发生器，通过液氮(约-196℃)、液氦(约-268.8℃)等对工质气体进行冷却，再通入发生器中放电从而产生气体温度低于室温、在零下范围的大气压等离子体[Plasma SourcesSci.Technol.2008,17:035008；Plasma Sources Sci.Technol.2009,18:025023；J.Appl.Phys.2011,109:053303；IEEE Trans.Plasma Sci.2015,43:1987-1992；专利CN107979907A]。然而以上几种发生系统结构复杂，且发生器也放置于密闭腔体中，给生物材料处理带来了极大的不方便，因此仍然需要发展一种完全工作于开放环境的大气压冷等离子体发生装置，以满足生物医学应用中对生物材料处理的要求。射频电源驱动的裸露电极型大气压等离子体发生器结构简单、工作于开放环境，符合生物材料处理的要求，然而由于裸露电极发生器的工作电流较大，一般在安培量级，需要对电极进行冷却，不容易产生气体温度在零下温度的等离子体，因此目前尚无利用该种发生器产生气体温度低于室温、在零下范围的大气压等离子体的专利及论文。
经过专利检索(检索号G2000713)，相关专利文献包括CN101001975，CN101373731，WO2010001938，非专利文献包括Plasma Sources Sci.Technol.2008,17:035008；PlasmaSources Sci.Technol.2009,18:025023；J.Appl.Phys.2011,17:053303；IEEETrans.Plasma Sci.2015,43:1987-1992；Plasma 2019,2:360-368。其中，CN101001975设计了新的冷却装置从而对等离子体温度进行控制，但其能够控制的温度范围较小，在50-85℃范围内且高于室温；CN101373731利用静电卡盘装置对等离子体处理设备进行温度控制，冷却介质温度在0-50℃范围内，无法得到零下温度的等离子体；WO2010001938借助介质阻挡放电型发生器设计了可以控制温度的等离子体处理装置，且其温度较高在1000℃左右；Plasma Sources Sci.Technol.2008,17:035008和IEEE Trans.Plasma Sci.2015,43:1987-1992对介质阻挡放电型发生器的工质气体进行冷却得到了气体温度范围分别在-90℃-30℃和-20℃-120℃的大气压等离子体，然而发生器中喷出的等离子体射流仅能朝着固定方向喷出，无法调节，不适用于实际应用中；Plasma Sources Sci.Technol.2009,18:025023和J.Appl.Phys.2011,17:053303均借助介质阻挡放电型发生器和冷却系统得到了最低气体温度分别为-200℃和-268℃的大气压等离子体，然而对应的发生系统均结构复杂、搭建难度大；Plasma 2019,2:360-368总结了1995-2005年用于生物医学应用的等离子体发生器，其中能产生较低温度的大气压等离子体气体温度范围均在0℃到室温的小范围内。
发明内容
本发明的目的在于提供一个等离子体气体温度、流量可控的发生器系统，尤其是在[-200℃,50℃]低温范围的裸露电极型等离子体发生器系统。
本发明的特征在于，其输出的等离子体气体温度在[-200℃,50℃]内，包括电源1，气源2，等离子体发生器3，输出等离子体调节接头4，简称接头，等离子体气体温度调节器5以及处理器6，其中
电源1，为一个频率为13.56MHz，最大输出功率为1kW的射频电源，
气源2，是一个装有温度为-268.8℃氦气的氦气瓶，有工质气体输出端及电极冷却气体输出端，
等离子体发生器3，是一个同轴型裸露电极发生器，包括内电极31、外电极32和外壳33，其中
内电极31，呈圆柱型，纵剖面呈“U”字形，包括电极冷却气体输入通道311，电源接头312以及内电极冷却通道313，等离子体空间314，其中电极冷却气体输入通道311、电源接头312沿左右两侧在纵向分别贯通“U”字截面的底部，内电极冷却通道313从上到下沿内电极31侧面逐层地沿内电极31的径向贯通内电极圆柱面，且横截面呈环形分布，
外电极32，是一个上下贯通的圆柱体，同轴环形地外套在内电极31外，中间的环形立体空间即等离子体空间314，进入电极冷却气体输入通道311的电极冷却气体，通过内电极冷却通道313，对内电极31进行整体冷却后通入等离子体空间314和气体混合，
外壳33，呈“凵”形，用绝缘保温材料制成，同轴地粘结在外电极32的圆柱形外周面上，在外壳33的外侧面上，有一个工质气体输入通道331，逐层贯通外壳33、外电极32把工质气体通入等离子体空间314，
输出等离子体调节接头4，包括内罩41和外罩42，均用保温绝缘材料制成，其中
内罩41，纵剖面呈倒“U”字形，下端外接于内电极31的环形外侧面上，上端外侧面上用螺纹连接，
外罩42，纵剖面呈倒“U”字形，侧面开有等离子体出口421，连接到置有输出等离子体数字温度计63和输出等离子体流量计83的输出等离子体管道上，外罩42的外侧面内接于等离子体空间314出口处的外电极32的环形内侧面上，用螺纹连接，旋转外罩42以调节等离子体出口421的转向角度，同时随之调节等离子体的出口高度，外罩42的调节高度必须保持等离子体出口421的畅通，受限于螺纹长度，
等离子体气体温度调节器5，由加热电源51和电阻丝加热线圈52串联组成，所述电阻丝加热线圈52同轴地套在工质气体输入管道上，升温范围在(0，50℃]之间，所述等离子体气体温度调节器5根据计算机的控制信号来自动或手动调节线圈电流，进而通过控制工质气体温度这个中间变量来调节等离子体气体温度，
所述工质气体输入管道的起点在气源2的工质气体输出端，终点开在外壳33侧面的工质气体输入通道331的输入端口，沿着工质气体输入方向在工质气体输入管道上依次安置了：工质气体开关电磁阀71，等离子体气体温度调节器5，工质气体流量调节电磁阀72，工质气体流量计81，工质气体数字温度计61，
所述电极冷却气体输入管道的起点在气源2的电极冷却气体输出端，终点在外壳33底面上的电极冷却气体输入通道311的入口端，沿着电极冷却气体输入方向在电极冷却气体输入管道上依次安置了：电极冷却气体开关电磁阀73，电极冷却气体流量调节电磁阀74，电极冷却气体流量计82，电极冷却气体数字温度计62，
处理器6依次按照以下步骤输出大气压等离子体：
步骤(6.1)，初始化：
设定：分为两档进行控制的时候，等离子体气体温度期望值：[-200℃,0℃]，(0℃,50℃]，允许误差，优先权级别，
输出等离子体流量期望值，允许误差，优先权级别，
外罩42下行时的螺纹初始位置，
步骤(6.2)，判断作为控制对象的输出等离子体气体温度、流量的优先级别：
若：气体温度控制优先，则执行步骤(6.3)，
若：流量控制优先，则执行步骤(6.4)，
步骤(6.3)，在优先把等离子体气体温度，简称温度控制在允许误差范围内的同时，修正等离子体流量，简称流量的方法：
步骤(6.3.1)，若温度期望值在[-200℃,0℃]内：
步骤(6.3.1.1)，依次打开电极冷却气体开关电磁阀73，电极冷却气体流量调节电磁阀74，把内电极31从室温冷却到期望温度值，所述电极冷却气体即为输入到等离子体空间314的用于冷却内电极的冷却气体，
步骤(6.3.1.2)，手动打开电源1，依次打开工质气体开关电磁阀71，工质气体流量调节电磁阀72，输入等离子体空间314内，并大幅增加工质气体流量，使输出等离子体流量达到期望流量值，
步骤(6.3.1.3)，测定输出等离子体气体温度，判断其是否在期望气体温度的允许范围内，若在期望气体温度的允许范围内，则终止，若等离子体气体温度超出期望气体温度的上限，则减少工质气体输入流量，直到满足输出等离子体期望气体温度允许误差要求为止，
步骤(6.3.1.4)，以此时实际测量的等离子体流量作为修正后的期望值，
步骤(6.3.2)，温度期望值在(0℃,50℃]内，
步骤(6.3.2.1)，判断期望温度值是否大于室温，
若期望温度值大于室温，打开等离子体气体温度调节器5，把输入等离子体空间314的工质气体温度升高到期望温度值，从而使得输出等离子体气体温度达到期望温度允许范围内，
步骤(6.3.2.2)，以实测到的输出等离子体流量作为修正后的流量后，终止，
若期望温度值小于室温，则输入电极冷却气体通入内电极31，使输出等离子体降到期望气体温度范围内，
步骤(6.3.2.3)，以实测的输出等离子体流量作为修正后的流量值，终止，
步骤(6.4)，若流量控制在先，则执行以下步骤：
判断相对应的期望值温度档位：
步骤(6.4.1)，若期望温度值在[-200℃,0℃]范围内，执行以下步骤：
步骤(6.4.1.1)，输入电极冷却气体把内电极31从室温冷却到期望温度值，
步骤(6.4.1.2)，增加输入到等离子体空间314内的工质气体流量，使得输出等离子体的流量达到期望值，
步骤(6.4.1.3)，以此时实测的等离子体气体温度作为修正后的期望温度值，终止，
步骤(6.4.2)，若期望温度值在(0℃,50℃]范围内，执行以下步骤：
判断期望温度是否大于室温，
若期望温度值等于室温，则设置等离子体流量在允许范围内，
若期望温度值大于室温，则执行以下步骤
步骤(6.4.2.1)，加大工质气体输入流量，使得输出等离子体流量达到期望值，以实际输出等离子体气体温度作为修正后的期望值温度；
若期望温度值小于室温，则执行以下步骤
步骤(6.4.2.2)，加大电极冷却气体输入流量，使得内电极(31)温度下降至期望温度下限，
步骤(6.4.2.3)，输入工质气体，使输出的等离子体流量达到期望值，以此时实测的输出等离子体气体温度作为修正后的期望温度值，终止。
本发明的优点在于控制对象的可控选择性强，输出等离子体在低温条件下可控范围大，流量控制的可供选择性灵活，发生器的结构简单，电极冷却气体的利用率高。
附图说明
今说明采用的图标如下，
电源1，气源2，等离子体发生器3，其中包括
内电极31，外电极32，外壳33，电极冷却气体输入通道311，电源接头312以及内电极冷却通道313，等离子体空间314，工质气体输入通道331，
输出等离子体调节接头4，包括内罩41，外罩42，等离子体出口421，
等离子体气体温度调节器5，包括加热电源51和电阻丝加热线圈52，
处理器6，包括工质气体数字温度计61，电极冷却气体数字温度计62，输出等离子体数字温度计63，
工质气体开关电磁阀71，工质气体流量调节电磁阀72，电极冷却气体开关电磁阀73，电极冷却气体流量调节电磁阀74，工质气体流量计81，电极冷却气体流量计82，输出等离子体流量计83。
图1.等离子体发生器结构示意图。
图2.发生器系统结构图。
图3.处理器控制流程图。
具体实施方式：
本发明中的等离子体发生器设立了一条电极冷却气体通道，使输入的电极冷却气体通过开设在内电极31中的电极冷却气体输入通道(311)，沿内电极31高度方向逐层开挖的多个径向电极冷却气体通道逐渐进入等离子体空间，既冷却了内电极31又提高了电极冷却气体的使用效率，保护了环境。
本发明用粘结在外电极32外周面上且托底地兜住外电极32的保温绝缘材料制成的外壳33形成了等离子体发生器外腔，既简化了结构又缩小了等离子体发生器的体积，节约了材料。
本发明在等离子体出口421端与等离子体输出通道之间加设了一个既能兜住出口的等离子体又能调节输出等离子体高度和输出角度的输出等离子体调节接头4，使得本发明更具实用性。
本发明从服务需求出发，采用优先控制、分档控制、适度控制和节能控制的控制思路，其中：
服务需求出发是指从实用出发，以等离子体气体温度、流量这两个参数为控制对象，从期望值、运行误差范围以及输出等离子体的温度区间[-200℃,50℃]，输出等离子体的纵向位置调节，输出角度的调节作为具体控制目标。
优先控制是指从控制对象服务目标的需求出发，确定了两个控制对象之间的优先级别，在一般情况下，以气体温度作为优先控制对象，在特殊需求下，以流量作为优先控制对象，具体的控制策略是：无论哪一种控制对象优先，都必须在一个设定的温度环境下开始根据气体温度/流量优先级先调节气体温度/流量的原则。
分档控制是指把温度区间划分为[-200℃,0℃]和(0℃,50℃]两档并且分档处理，以便尽可能地缩小调整对象的调节范围，例如温度期望值在0℃-室温之间，则把期望温度从期望值升温到室温，比把电极冷却气体升温到室温节省时间又节能。
适度控制是指在优先控制对象首先达到允许误差范围内后，就以实测的次优先对象值作为修正后的期望值，对此不再进行微调或者大的调整。
节能控制，分档控制可以节能，电极冷却气体在对内电极31进行冷却后输入到等离子体空间去补充工质气体，以及采用一个气源2分别输出工质气体和电极冷却气体，比分别采用不同的两个气源也能达到节能的目的。
由此可知，本发明具有输出等离子体的低温范围大，实用性强，电极结构简单，易于推广的优点。
Claims (2)
1.一种低温范围的裸露电极型大气压等离子体发生器系统，其特点在于，其输出的等离子体气体温度在[-200℃,50℃]内，包括电源(1)，气源(2)，等离子体发生器(3)，输出等离子体调节接头(4)，简称接头，等离子体气体温度调节器(5)以及处理器(6)，其中
电源(1)，为一个频率为13.56MHz，最大输出功率为1kW的射频电源，
气源(2)，是一个装有温度为-268.8℃氦气的氦气瓶，有工质气体输出端及电极冷却气体输出端，
等离子体发生器(3)，是一个同轴型裸露电极发生器，包括内电极(31)、外电极(32)和外壳(33)，其中
内电极(31)，呈圆柱型，纵剖面呈“U”字形，包括电极冷却气体输入通道(311)，电源接头(312)以及内电极冷却通道(313)，等离子体空间(314)，其中电极冷却气体输入通道(311)、电源接头(312)沿左右两侧在纵向分别贯通“U”字截面的底部，内电极冷却通道(313)从上到下沿内电极侧面逐层地沿内电极(31)的径向贯通内电极圆柱面，且横截面呈环形分布，
外电极(32)，是一个上下贯通的圆柱体，同轴环形地外套在内电极(31)外，中间的环形立体空间即等离子体空间(314)，进入电极冷却气体输入通道(311)的电极冷却气体，通过内电极冷却通道(313)，对内电极(31)进行整体冷却后通入等离子体空间(314)和气体混合，
外壳(33)，呈“凵”形，用绝缘保温材料制成，同轴地粘结在外电极(32)的圆柱形外周面上，在外壳(33)的外侧面上，有一个工质气体输入通道(331)，逐层贯通外壳(33)、外电极(32)把工质气体通入等离子体空间(314)，
输出等离子体调节接头(4)，包括内罩(41)和外罩(42)，均用保温绝缘材料制成，其中
内罩(41)，纵剖面呈倒“U”字形，下端外接于内电极(31)的环形外侧面上，上端外侧面上用螺纹连接，
外罩(42)，纵剖面呈倒“U”字形，侧面开有等离子体出口(421)，连接到置有输出等离子体数字温度计(63)和输出等离子体流量计(83)的输出等离子体管道上，外罩(42)的外侧面内接于等离子体空间(314)出口处的外电极(32)的环形内侧面上，用螺纹连接，旋转外罩(42)以调节等离子体出口(421)的转向角度，同时随之调节等离子体的出口高度，外罩(42)的调节高度必须保持等离子体出口(421)的畅通，受限于螺纹长度，
等离子体气体温度调节器(5)，由加热电源(51)和电阻丝加热线圈(52)串联组成，所述电阻丝加热线圈(52)同轴地套在工质气体输入管道上，升温范围在(0℃，50℃]之间，所述等离子体气体温度调节器(5)根据计算机的控制信号来自动或手动调节线圈电流，进而通过控制工质气体温度这个中间变量来调节等离子体气体温度，
所述工质气体输入管道的起点在气源(2)的工质气体输出端，终点开在外壳(33)侧面的工质气体输入通道(331)的输入端口，沿着工质气体输入方向在工质气体输入管道上依次安置了：工质气体开关电磁阀(71)，等离子体气体温度调节器(5)，工质气体流量调节电磁阀(72)，工质气体流量计(81)，工质气体数字温度计(61)，
所述电极冷却气体输入管道的起点在气源(2)的电极冷却气体输出端，终点在外壳(33)底面上的电极冷却气体输入通道(311)的入口端，沿着电极冷却气体输入方向在电极冷却气体输入管道上依次安置了：电极冷却气体开关电磁阀(73)，电极冷却气体流量调节电磁阀(74)，电极冷却气体流量计(82)，电极冷却气体数字温度计(62)，
处理器(6)依次按照以下步骤输出大气压等离子体：
步骤(6.1)，初始化：
设定：分为两档进行控制的时候，等离子体气体温度期望值：[-200℃,0℃]，(0℃,50℃]，允许误差，优先权级别，
输出等离子体流量期望值，允许误差，优先权级别，
外罩(42)下行时的螺纹初始位置，
步骤(6.2)，判断作为控制对象的输出等离子体气体温度、流量的优先级别：
若：气体温度控制优先，则执行步骤(6.3)，
若：流量控制优先，则执行步骤(6.4)，
步骤(6.3)，在优先把等离子体气体温度，简称温度控制在允许误差范围内的同时，修正等离子体流量，简称流量的方法：
步骤(6.3.1)，若温度期望值在[-200℃,0℃]内：
步骤(6.3.1.1)，依次打开电极冷却气体开关电磁阀(73)，电极冷却气体流量调节电磁阀(74)，把内电极(31)从室温冷却到期望温度值，所述电极冷却气体即为输入到等离子体空间(314)的用于冷却内电极的冷却气体，
步骤(6.3.1.2)，手动打开电源(1)，依次打开工质气体开关电磁阀(71)，工质气体流量调节电磁阀(72)，输入等离子体空间(314)内，并大幅增加工质气体流量，使输出等离子体流量达到期望流量值，
步骤(6.3.1.3)，测定输出等离子体气体温度，判断其是否在期望气体温度的允许范围内，若在期望气体温度的允许范围内，则终止，若等离子体气体温度超出期望气体温度的上限，则减少工质气体输入流量，直到满足输出等离子体期望气体温度允许误差要求为止，
步骤(6.3.1.4)，以此时实际测量的等离子体流量作为修正后的期望值，
步骤(6.3.2)，温度期望值在(0℃,50℃]内，
步骤(6.3.2.1)，判断期望温度值是否大于室温，
若期望温度值大于室温，打开等离子体气体温度调节器(5)，把输入等离子体空间(314)的工质气体温度升高到期望温度值，从而使得输出等离子体气体温度达到期望温度允许范围内，
步骤(6.3.2.2)，以实测到的输出等离子体流量作为修正后的流量后，终止，
若期望温度值小于室温，则输入电极冷却气体通入内电极(31)，使输出等离子体降到期望气体温度范围内，
步骤(6.3.2.3)，以实测的输出等离子体流量作为修正后的流量值，终止，
步骤(6.4)，若流量控制在先，则执行以下步骤：
判断相对应的期望值温度档位：
步骤(6.4.1)，若期望温度值在[-200℃,0℃]范围内，执行以下步骤：
步骤(6.4.1.1)，输入电极冷却气体把内电极(31)从室温冷却到期望温度值，
步骤(6.4.1.2)，增加输入到等离子体空间(314)内的工质气体流量，使得输出等离子体的流量达到期望值，
步骤(6.4.1.3)，以此时实测的等离子体气体温度作为修正后的期望温度值，终止，
步骤(6.4.2)，若期望温度值在(0℃,50℃]范围内，执行以下步骤：
判断期望温度是否大于室温，
若期望温度值等于室温，则设置等离子体流量在允许范围内，
若期望温度值大于室温，则执行以下步骤
步骤(6.4.2.1)，加大工质气体输入流量，使得输出等离子体流量达到期望值，以实际输出等离子体气体温度作为修正后的期望值温度；
若期望温度值小于室温，则执行以下步骤
步骤(6.4.2.2)，加大电极冷却气体输入流量，使得内电极(31)温度下降至期望温度下限，
步骤(6.4.2.3)，输入工质气体，使输出的等离子体流量达到期望值，以此时实测的输出等离子体气体温度作为修正后的期望温度值，终止。
2.权利要求1所述的一种低温范围的裸露电极型大气压等离子体发生器系统，其特征在于三个所述的数字温度计为一个多通道低温温度计的三个测温接头，所述多通道低温温度计的测量范围为[-200℃,200℃]，其温度信号输出端与处理器的对应输入端相连接。
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