CN111885808A - 一种大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，包括上盖、聚焦装置主体、下盖、球铰喷头、等离子体射流发生器，所述上盖和所述下盖分别固定设置在所述聚焦装置主体的上下两端，所述等离子体射流发生器设置在所述聚焦装置主体内，所述球铰喷头设置在所述聚焦装置主体下端并对应所述离子体射流发生器的出射口设置；本发明利用流体聚焦原理设计出气流辅助聚焦装置实现对大气压冷等离子体射流的聚焦，具有结构简单、操作方便、聚焦效果好且可同时屏蔽空气对等离子体射流影响等优点，可大大提高大气压冷等离子体射流的加工精度并提高对其特性的可控性。

Description

一种大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置

技术领域

本发明涉及大气压低温等离子体技术领域，具体涉及一种大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置。

背景技术

大气压冷等离子体射流是利用气流和电场的作用使放电区域产生的低温等离子体从孔口喷出，形成等离子体射流，是一种电子能量较高而离子能量较低的大气冷等离子体射流，其温度在室温至几百摄氏度之间。由于大气压冷等离子体射流具有温度低、活性粒子数量大、种类多、活性强，易与所接触表面发生反应，因此在材料表面加工、纳米粒子合成以及生物医疗方面具有广阔的应用前景。相比于低气压等离子体，大气冷等离子体射流摆脱了真空环境等限制，对被加工物体体积与形状没有特殊要求，且具有装置简单、操作便捷、温度低、成本低、绿色无污染等显著优点。此外，通过控制等离子体射流直径，可以获得直径在几百微米至几微米的大气压微冷等离子体射流，从而可以摆脱对掩膜的需求，通过大气压微冷等离子体射流直写工艺实现对被加工物体的图案化微加工。

尽管通过限制喷嘴尺寸来约束等离子体射流直径，可以在大气环境下产生直径在毫米、微米甚至亚微米级的大气压冷等离子体射流，但是由于大气压冷等离子体射流是直接喷向大气环境中，因此存在对流扩散效应，导致产生的实际等离子体射流直径大于喷嘴内径。尤其是当等离子体射流与被加工物体接触过程中，等离子体射流会在被加工物体表面出现进一步延展，导致实际加工线宽大于等离子体射流在自由状态下的射流直径，却该延展半径会随着等离子体射流工艺参数与被加工物体特性的变化而改变，一般会延展4-10倍左右。该现象不仅严重影响加工精度，而且导致等离子体射流的加工过程难以控制，尤其是在高精度的微细加工领域，该延展效应具有很不利的影响。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，包括上盖、聚焦装置主体、下盖、球铰喷头、等离子体射流发生器，所述上盖和所述下盖分别固定设置在所述聚焦装置主体的上下两端，所述等离子体射流发生器设置在所述聚焦装置主体内，所述球铰喷头设置在所述聚焦装置主体下端并对应所述离子体射流发生器的出射口设置。

较佳的，所述上盖设置有上盖导向孔，所述聚焦装置主体设置有主体导向孔，所述下盖设置有下盖中心通孔，所述上盖导向孔、所述主体导向孔和所述下盖中心通孔相互连通形成放置腔，所述等离子体射流发生器设置在所述放置腔内。

较佳的，所述上盖内设置有上内腔，所述聚焦装置主体内设置有主体内腔和连接腔，所述球铰喷头的端部设置在所述连接腔内，所述球铰喷头内设置有喷射腔，所述上内腔、所述主体内腔和所述喷射腔连通，从而形成气体通道，所述上盖侧端面上设置有进气通道，所述进气通道和所述上内腔连通。

较佳的，所述上盖中心设置有圆筒状的上中心件，所述上中心件在所述上盖内部阻隔形成所述上盖导向孔和所述上内腔；所述聚焦装置主体中心设置有圆筒状的主体中心件，所述主体中心件在所述聚焦装置主体内部阻隔形成所述主体导向孔和所述主体内腔。

较佳的，所述上中心件靠近所述聚焦装置主体的端部设置上盖凸缘，所述主体中心件靠近所述上盖的端部设置主体导向孔凹槽，所述上盖和所述聚焦装置主体连接时，所述上盖凸缘卡接在所述主体导向孔凹槽内。

较佳的，所述连接腔包括直通段和球形段，所述球形段通过所述直通段与所述主体内腔连通，所述球铰喷头包括连接部和直通部，所述连接部设置在所述直通部的一端，所述连接部设置为球体，所述连接部直径和所述球形段配合设置，所述连接部设置在所述球形段内。

较佳的，所述下盖设置有卡接孔，所述卡接孔和所述连接腔一一对应设置，所述卡接孔的内壁设置为弧形，且所述卡接孔的直径沿远离所述聚焦装置主体的方向逐渐减小，所述卡接孔的最大直径和所述连接腔配合设置，所述卡接孔的最小直径小于所述连接部直径且大于所述直通部直径。

较佳的，所述卡接孔、所述连接腔和所述球铰喷头以所述离子体射流发生器的轴线为中心环形均布。

较佳的，所述聚焦装置主体内还设置有均流板。

较佳的，所述球铰喷头的中心轴线与所述等离子体射流的中心轴线夹角大于10°。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明利用流体聚焦原理设计出气流辅助聚焦装置实现对大气压冷等离子体射流的聚焦，具有结构简单、操作方便、聚焦效果好且可同时屏蔽空气对等离子体射流影响等优点，可大大提高大气压冷等离子体射流的加工精度并提高对其特性的可控性；2，本发明可通过自由转动与摆动球铰喷头或调节工作气体流量实现对等离子体射流的不同聚焦效果与空气屏蔽效果，因此该气流辅助聚焦装置结构灵活，可根据实际加工需求灵活选择聚焦方式，大大增加了大气压冷等离子体射流的应用范围。

附图说明

图1为所述大气压等离子体射流气流辅助聚焦装置的结构立体图；

图2为所述大气压等离子体射流气流辅助聚焦装置的结构视图；

图3为所述大气压等离子体射流气流辅助聚焦装置的爆炸分解视图；

图4为所述上盖的结构视图；

图5为所述聚焦装置主体的结构视图；

图6为所述下盖的结构视图；

图7为所述球铰喷头的结构视图；

图8为所述均流板的结构视图；

图9为所述球铰喷头三种不同工作状态的示意图。

图中数字表示：

1-上盖；2-聚焦装置主体；3-下盖；4-球铰喷头；5-聚焦气流；6-等离子体射流；7-紧固螺钉；8-工作气体；9-等离子体射流发生器；10-均流板；101-进气通道；102-外螺纹；103-上盖导向孔；104-上盖凸缘；201-连接腔；202-主体导向孔；203-主体导向孔凹槽；204-螺纹孔；205-内螺纹；301-卡接孔；302-下盖中心通孔；303-螺钉孔；401-连接部；402-直通部。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1、图2、图3所示，图1为所述大气压等离子体射流气流辅助聚焦装置的结构立体图；图2为所述大气压等离子体射流气流辅助聚焦装置的结构视图；图3为所述大气压等离子体射流气流辅助聚焦装置的爆炸分解视图；其中，图2中，(a)为正视图，(b)为右视图，(c)为俯视图。

本发明所述大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置包括上盖1、聚焦装置主体2、下盖3、球铰喷头4、等离子体射流发生器9。

如图4、图5、图6所示，图4为所述上盖的结构视图；其中(a)为斜视图，(b)为正视图，(c)为俯视图；图5为所述聚焦装置主体的结构视图；(a)为斜视图，(b)为正视图，(c)为俯视图；图6为所述下盖的结构视图；(a)为斜视图，(b)为正视图，(c)为俯视图。

所述上盖1和所述下盖3分别固定设置在所述聚焦装置主体2的上下两端，所述等离子体射流发生器9设置在所述聚焦装置主体2内，所述球铰喷头4设置在所述聚焦装置主体2下端并对应所述离子体射流发生器9的出射口设置。

具体的，所述上盖设置有上盖导向孔103，所述聚焦装置主体2设置有主体导向孔202，所述下盖3设置有下盖中心通孔302，所述上盖导向孔103、所述主体导向孔202和所述下盖中心通孔302相互连通形成放置腔，用于放置所述等离子体射流发生器9。一般的，所述上盖导向孔103、所述主体导向孔202和所述下盖中心通孔302同轴设置。

所述上盖1内设置有上内腔，所述聚焦装置主体2内设置有主体内腔和连接腔201，所述球铰喷头4的端部设置在所述连接腔201内，所述球铰喷头4内设置有喷射腔，所述上内腔、所述主体内腔和所述喷射腔连通，从而形成气体通道，用于连通工作气体8，将工作气体设置在所述离子体射流发生器9的出射口位置。所述上盖1侧端面上设置有进气通道101，所述进气通道101和所述上内腔连通，所述进气通道101用于向所述气体通道内提供工作气体8。所述上内腔、所述主体内腔设置为环形孔，所述喷射腔设置为圆直孔。

一般的，所述上盖1中心设置有圆筒状的上中心件，用于在所述上盖1内部阻隔形成所述上盖导向孔103和所述上内腔；所述聚焦装置主体2中心设置有圆筒状的主体中心件，用于在所述聚焦装置主体2内部阻隔形成所述主体导向孔202和所述主体内腔。

较佳的，所述上中心件靠近所述聚焦装置主体2的端部设置上盖凸缘104，所述主体中心件靠近所述上盖1的端部设置主体导向孔凹槽203，所述上盖1和所述聚焦装置主体2连接时，所述上盖凸缘104卡接在所述主体导向孔凹槽203内，从而保证所述上盖导向孔103、所述主体导向孔202的密封连接。

一般的，所述上盖1与所述聚焦装置主体2通过螺纹连接，具体的，所述上盖1设置有外螺纹102，所述聚焦装置主体2设置有内螺纹205，通过所述外螺纹102与所述内螺纹205的相对旋转实现所述上盖1与所述聚焦装置主体2的连接，同时通过所述上盖凸缘104和所述主体导向孔凹槽203实现所述上盖1与所述聚焦装置主体2旋转行程的限定。

如图7所示，图7为所述球铰喷头的结构视图，其中(a)为斜视图，(b)为正视图，(c)为右视图；所述连接腔201包括直通段和球形段，所述球形段通过所述直通段与所述主体内腔连通，所述球铰喷头4包括连接部401和直通部402，所述连接部401设置在所述直通部402的一端，所述连接部401设置为球体，所述连接部401直径和所述球形段配合设置，所述连接部401设置在所述球形段内，从而可实现所述连接部401在所述球体段内的自由转动，进而使所述球铰喷头4可自由转动与摆动。

所述下盖3设置有卡接孔301，所述卡接孔301和所述连接腔201一一对应设置，所述卡接孔301直径小于所述连接部401直径且大于所述直通部402直径，通过将所述下盖3和所述聚焦装置主体2通过均布的紧固螺钉7连接，从而将所述连接部401限定在所述球形段内，从而实现所述球铰喷头4的位置固定。

较佳的，所述卡接孔301的内壁设置为弧形，且所述卡接孔301的直径沿远离所述聚焦装置主体2的方向逐渐减小，所述卡接孔301的最大直径和所述连接腔201配合设置，所述卡接孔301的最小直径小于所述连接部401直径且大于所述直通部402直径。

一般的，所述卡接孔301、所述连接腔201和所述球铰喷头4以所述离子体射流发生器9的轴线为中心环形均布。

所述下盖3设置螺钉孔303，所述聚焦装置主体2设置有螺纹孔204，从而实现所述紧固螺钉7对所述下盖3和所述聚焦装置主体2的连接。

较佳的，所述聚焦装置主体2内还设置有均流板10，如图8所示，图8为所述均流板的结构视图。具体的，所述聚焦装置主体2在所述主体内腔上设置有限位凸台，通过所述上盖1与所述聚焦装置主体2的螺纹连接，将所述均流板10限制在所述限位凸台和所述上盖1之间，从而将所述均流板10固定在所述主体内腔内。

所述工作气体8通过所述进气通道101进入所述上盖1与所述聚焦装置主体2中，流经所述均流板10均匀流入所述球铰喷头4中产生聚焦气流5，以实现对等离子体射流6的流体辅助聚焦效果并屏蔽空气对等离子体射流6的影响，且通过调节所述工作气体8的流量可以实现不同的聚焦与屏蔽效果。

本发明利用流体聚焦原理设计出气流辅助聚焦装置实现对大气压冷等离子体射流的聚焦，具有结构简单、操作方便、聚焦效果好且可同时屏蔽空气对等离子体射流影响等优点，可大大提高大气压冷等离子体射流的加工精度并提高对其特性的可控性。

一般的，所述等离子体射流发生器9、所述上盖1、所述聚焦装置主体2、所述下盖3与所述等离子体射流6的中心轴线在一条直线上。

如图9所示，图9为所述球铰喷头三种不同工作状态的示意图，其中球铰喷头中心轴线与等离子体射流中心轴线夹角分别为(a)0°，(b)15°，(c)45°；所述球铰喷头4可通过自由转动与摆动使其中心轴线与所述等离子体射流6的中心轴线形成不同的夹角以实现不同的聚焦效果。

在本实施例中，所述球铰喷头4的数量设计6个。所述球铰喷头4的喷射腔直径小于所述等离子体射流6的束流直径。

较佳的，所述球铰喷头4的中心轴线与所述等离子体射流6的中心轴线夹角调整至45°，以产生较好的聚焦效果，一般的，所述球铰喷头的中心轴线与等离子体射流的中心轴线夹角大于10°，所述工作气体8选用纯氮气或二氧化碳气体。

在其他实施例里，可以通过选择不同工作气体类型，可以通过增减球铰喷头4的数量和布置形式，从而制备具有不同结构形式的气流辅助聚焦装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，包括上盖、聚焦装置主体、下盖、球铰喷头、等离子体射流发生器，所述上盖和所述下盖分别固定设置在所述聚焦装置主体的上下两端，所述等离子体射流发生器设置在所述聚焦装置主体内，所述球铰喷头设置在所述聚焦装置主体下端并对应所述离子体射流发生器的出射口设置。

2.如权利要求1所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述上盖设置有上盖导向孔，所述聚焦装置主体设置有主体导向孔，所述下盖设置有下盖中心通孔，所述上盖导向孔、所述主体导向孔和所述下盖中心通孔相互连通形成放置腔，所述等离子体射流发生器设置在所述放置腔内。

3.如权利要求2所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述上盖内设置有上内腔，所述聚焦装置主体内设置有主体内腔和连接腔，所述球铰喷头的端部设置在所述连接腔内，所述球铰喷头内设置有喷射腔，所述上内腔、所述主体内腔和所述喷射腔连通，从而形成气体通道，所述上盖侧端面上设置有进气通道，所述进气通道和所述上内腔连通。

4.如权利要求3所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述上盖中心设置有圆筒状的上中心件，所述上中心件在所述上盖内部阻隔形成所述上盖导向孔和所述上内腔；所述聚焦装置主体中心设置有圆筒状的主体中心件，所述主体中心件在所述聚焦装置主体内部阻隔形成所述主体导向孔和所述主体内腔。

5.如权利要求4所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述上中心件靠近所述聚焦装置主体的端部设置上盖凸缘，所述主体中心件靠近所述上盖的端部设置主体导向孔凹槽，所述上盖和所述聚焦装置主体连接时，所述上盖凸缘卡接在所述主体导向孔凹槽内。

6.如权利要求3所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述连接腔包括直通段和球形段，所述球形段通过所述直通段与所述主体内腔连通，所述球铰喷头包括连接部和直通部，所述连接部设置在所述直通部的一端，所述连接部设置为球体，所述连接部直径和所述球形段配合设置，所述连接部设置在所述球形段内。

7.如权利要求6所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述下盖设置有卡接孔，所述卡接孔和所述连接腔一一对应设置，所述卡接孔的内壁设置为弧形，且所述卡接孔的直径沿远离所述聚焦装置主体的方向逐渐减小，所述卡接孔的最大直径和所述连接腔配合设置，所述卡接孔的最小直径小于所述连接部直径且大于所述直通部直径。

8.如权利要求7所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述卡接孔、所述连接腔和所述球铰喷头以所述离子体射流发生器的轴线为中心环形均布。

9.如权利要求1所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述聚焦装置主体内还设置有均流板。

10.如权利要求1所述的大气压冷等离子体射流气流辅助聚焦装置，其特征在于，所述球铰喷头的中心轴线与所述离子体射流发生器产生的等离子体射流中心轴线夹角大于10°。

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