CN111954360A - 基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法，装置包括放电腔体、进气口、出气口、混充模块、抽真空模块、电极和高压交流电源；放电腔体为立方体结构，放电腔体上设置有进气口和出气口；进气口与混充模块连接，出气口与抽真空模块连接；混充模块包括氦气储气罐和氩气储气罐，氦气储气罐的氦气和氩气储气罐的氩气在进气口处混合；放电腔体的壳体外部相对设置电极，电极与高压交流电源连接。同时结合氩气等离子体电子密度高和氦气等离子体均匀度好的优点，避免了氩气等离子体难以产生大面积均匀等离子体和氦气等离子体电子密度提升困难的问题，可获得大面积、均匀、电子密度条件范围宽的等离子体。

Description

基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，具体涉及一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法。

背景技术

沿面介质阻挡放电能够在常压下产生具有高能量电子的非平衡等离子体，目前在聚合物材料的表面改性、工业臭氧合成、高效率紫外线灯、大面积平板等离子体平面显示、环境保护、医疗灭菌和临床治疗等方面获得了广泛的研究和应用。

等离子体引申的工程化应用需要产生大面积均匀的等离子体，同时需要调控电子密度的反应参数选择范围。但是，单一的气体介质，很难兼顾均匀和电子密度条件范围大要求。例如，对于纯Ar放电，电压幅值对电子密度的调节作用较小，气压的调节作用较大；然而，由于纯Ar在长间隙、较高气压下较难产生均匀放电，这限制了调控电子密度的反应参数选择范围。

因此，结合大面积等离子体发生装置来研究大面积等离子体的电子密度调控机制是非常必要的。

发明内容

本发明提供一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法，以解决大面积冷等离子体发生时难以兼顾均匀和电子密度条件范围大要求的技术问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，包括放电腔体、进气口、出气口、混充模块、抽真空模块、电极和高压交流电源；

所述放电腔体为立方体结构，所述放电腔体上设置有进气口和出气口；

所述进气口与混充模块连接，所述出气口与抽真空模块连接；

所述混充模块包括氦气储气罐和氩气储气罐，所述氦气储气罐的氦气和氩气储气罐的氩气在所述进气口处混合；

所述放电腔体的壳体外部相对设置电极，所述电极与高压交流电源连接。

优选地，所述混充模块还包括流量计和输送管道，所述输送管道的进口分别连接所述氦气储气罐和所述氩气储气罐、出口与所述进气口连接。

优选地，所述放电腔体的材料采用石英玻璃、有机玻璃，壁厚为1-10mm。

优选地，所述混充模块中氦气-氩气混合气体中氩气体积比为1％～50％。

优选地，所述放电腔体的充气压力为0.01～0.2MPa。

优选地，所述进气口处安装有真空表。

优选地，所述高压交流电源与所述电极之间安装有示波器。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生方法，利用本发明实施例第一方面提供的一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，所述方法包括：

步骤一：采用抽真空模块对放电腔体进行抽真空操作；

步骤二：对放电腔体内充入0.1-1个大气压的氦气或氩气，重复步骤一；

步骤三：重复步骤一和步骤二反复，直到排干净放电腔体内的空气；

步骤四：按预设气体体积比和充气压力，在放电腔体内充入氦气-氩气混合气体；

步骤五：调节高压交流电源至放电腔体内产生稳定的大面积、均匀等离子体。

优选地，所述预设气体体积比为氦气-氩气混合气体中氩气体积比为1％～50％，充气压力为0.01～0.2MPa。

基于上述实施例可见，本发明实施例提供的一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法，采用介质阻挡放电结构，通过混充模块将氦气预氩气混合，使得同时结合氩气等离子体电子密度高和氦气等离子体均匀度好的优点，避免了氩气等离子体难以产生大面积均匀等离子体和氦气等离子体电子密度提升困难的问题，可获得大面积、均匀、电子密度条件范围宽的等离子体。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明实施例提供的一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置的基本结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种放电腔体照片；

图3为本发明实施例提供的一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为纯氩气，0.06atm充气压力，不同电压幅值，电压频率为10kHz；

图5为本发明实施例提供的另一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为纯氦气，0.2atm充气压力，不同电压幅值，电压频率为10kHz；

图6为本发明实施例提供的另一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为氦气-氩气混合气体，氩气占比5％，外加电压幅值为8kV，电压频率为10kHz；

图7为本发明实施例提供的另一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为氦气-氩气混合气体，氩气占比7.5％，0.2atm，不同电压幅值，电压频率为10kHz；

图8为本发明实施例提供的另一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为氦气-氩气混合气体，氩气占比10％，气压为0.2atm，电压幅值为5kV，不同电压频率；

图9为本发明实施例提供的另一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为不同混合比例氦气-氩气混合气体，气压为0.2atm，电压幅值为12kV，电压频率为10kHz；

图10为本发明实施例提供的另一种放电等离子体照片与电压电流波形，条件为不同混合比氦气-氩气混合气体，气压为0.1atm，电压幅值为8kV，电压频率为10kHz。

附图标号说明：

1-放电腔体；2-进气口；21-真空表；3-出气口；4-混充模块；41-氦气储气罐；42-氩气储气罐；43-流量计；44-输送管道；5-抽真空模块；6-电极；7-高压交流电源；8-示波器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置的基本结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种放电腔体照片，下面结合附图1和图2，对本申请实施例提供的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置进行详细的描述。

如图1和图2所示，该冷等离子体发生装置包括，包括放电腔体1、进气口2、出气口3、混充模块4、抽真空模块5、电极6和高压交流电源7。

放电腔体1为立方体结构，放电腔体1上设置有进气口2和出气口3。进气口2与混充模块4连接，出气口3与抽真空模块5连接。混充模块4包括氦气储气罐41和氩气储气罐42，氦气储气罐41的氦气和氩气储气罐42的氩气在进气口2处混合。放电腔体1的壳体外部相对设置电极6，电极6与高压交流电源7连接。

作为本申请实施例的一种优选地实施方式，混充模块4还包括流量计43和输送管道44，输送管道44包括一个三通连接头、呈T字形、两个进口分别连接氦气储气罐41和氩气储气罐42、出口与进气口2连接。通过流量计43可以调控氦气和氩气的进气量。

作为本申请实施例的一种优选地实施方式，放电腔体1的材料采用石英玻璃、有机玻璃，壁厚为1-10mm。

作为本申请实施例的一种优选地实施方式，混充模块4中氦气-氩气混合气体中氩气体积比为1％～50％。进一步地，放电腔体1的充气压力为0.01～0.2MPa。

作为本申请实施例的一种优选地实施方式，进气口2处安装有真空表21，用来显示放电腔体1内的压力。

作为本申请实施例的一种优选地实施方式，高压交流电源7与电极6之间安装有示波器8，示波器8用来显示电压电流波形以及电压幅值和电压频率。

基于上述实现原理，下面将结合附图，对本实施例提供的大面积冷等离子体发生方法进行详细介绍。图3为本发明实施例提供的一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生方法流程示意图。如图3所示，该方法具体包括如下步骤：

S1：采用抽真空模块对放电腔体进行抽真空操作。

先用抽真空模块通过抽真空结构对放电腔体进行抽真空操作，排出放电腔体内的空气。

S2：对放电腔体内充入0.1-1个大气压的氦气或氩气，重复步骤一。

对放电腔体内充入0.1-1个大气压的氦气或氩气，然后继续采用抽真空模块对放电腔体进行抽真空操作，充入氦气或氩气是利用氦气或氩气类似置换放电腔体内的空气，以使得放电腔体内的空气排出的更干净。

S3：重复步骤S1和步骤S2，直到排干净放电腔体内的空气。

重复对放电腔体重复充入氦气或氩气然后抽真空，直到排干净放电腔体内的空气，一般反复1-3次。

S4：按预设气体体积比和充气压力，在放电腔体内充入氦气-氩气混合气体。

在排出放电腔体内的所有空气以后，开始向放电腔体内充氦气-氩气混合气体。通过调控氦气和氩气的流量实现氦气-氩气以预设气体体积比混合，并达到预设充气压力。优选地，预设气体体积比为氦气-氩气混合气体中氩气体积比为1％～50％，充气压力为0.01～0.2MPa。

S5：调节高压交流电源至放电腔体内产生稳定的大面积、均匀等离子体。

下面利用上述实施例提供的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置及方法，通过调控放电腔体内充气的种类、混合气体的比例、充气压力、电压幅值、电压频率来研究大面积等离子体的电子密度调控机制，以进一步说明本发明提供的大面积冷等离子体发生装置及方法的实际应用效果。

图4中给出了腔体中充入气压为0.06atm的纯氩气时，在不同放电电压幅值下的放电照片与放电电流波形。根据等离子体的外观与电流的波形可以看出，从开始放电产生等离子体，逐渐增大电压幅值到5kV左右的过程中，放电处于均匀放电模式，经历了从汤逊放电到辉光放电的转换，产生的等离子体在腔体中间区域较为均匀，肉眼无法从等离子体中分辨出放电细丝。当外加电压幅值超过5kV后，继续增大电压幅值至7kV，放电现象迅速发生改变，等离子体向中心区域聚集，并在中心区域形成一个明亮的放电通路，有形成电弧的趋势。此时，等离子体在两铜片电极附近仍为弥散性分布，只是在腔体中心区域等离子较为集中，整体并没有明显的细丝放电产生。从放电电流的波形中可以看出，放电的电流仍然呈现出辉光放电的特点。在垂直于电极方向(如图4中显示的y方向)的腔体边缘处，等离子体则呈现出向中心收缩的趋势，使得等离子体整体呈现出双曲线形的外观，拟合的双曲线如图中白色虚线所示，图中双曲线的顶点坐标λ(cm)与等离子体区域占腔体面积的比例有相似的变化规律，都随着外加电压幅值的增大而减小，但是等离子体区域占腔体面积的比例大致在80％左右。当外加电压幅值由5kV变为7kV时，λ明显减小，等离子体区域占比也明显减小。出现这种现象的原因可能是在电极边缘处的电场强度比中心区域弱，从而使得等离子体在电极中心区域的电离率高于电极边缘处，从而使得气隙的等效阻抗在空间分布不均匀，从而放电通路向等效阻抗较小的中心区域聚集。

从图4中可以看出，随着外加电压幅值的增大，放电变得越来越剧烈，电流脉冲的幅值逐渐增大，放电电流相位越来越超前，并且由单脉冲放电向多脉冲放电发展。同时，电流脉冲的正相幅值逐渐大于负相幅值，电流的波形也由对称放电变为非对称放电。出现非对称放电的原因是，气体间隙较长使得气隙前一次击穿过程中产生的等离子体正柱区在后一次放电发生前无法完全消散，导致当后一次放电发生时气隙电场的分布不均匀，进而使得后一次放电发展不充分，从而导致放电呈现出强弱相间的非对称放电现象。

图5给出了腔体中充入气压为0.2atm的纯氦气时，在不同外加电压幅值下的放电照片和放电电流波形。与较低气压下氩气放电类似，放电处于均匀放电模式，产生的等离子体在腔体中间区域比较均匀，肉眼无法从等离子体中分辨出放电细丝。但是随着外加电压幅值的增大，放电并没有出现向中心区域聚集的现象。等离子体在垂直于电极方向(如图5中显示的y方向)的腔体边缘处，也存在出向中心收缩的现象，原因与氩气放电中相似，使得等离子体整体呈现出双曲线形的外观，拟合的双曲线如图中白色虚线所示。拟合双曲线的顶点坐标λ和等离子体区域的面积占比有相似的变化规律。与氩气放电不同的是，随着外加电压幅值的增大两者均略有增大，并且在较大电压幅值范围内变化较为平缓，等离子体区域的面积占比大约保持在90％左右，这说明随着放电剧烈程度的增强，等离子体在腔体内的分布越来越均匀，几乎充满整个腔体。另外，从放电电流的波形中可以看出，随着外加电压幅值的增大，放电由汤逊放电转换为辉光放电，放电电流幅值增大，单个周期内的放电持续时间增加，放电相位也变得更超前。值得注意的是，当外加电压幅值较低时，放电电流已经呈现出非对称放电的现象，且随着外加电压幅值的增大，非对称现象越来越明显，同时放电电流也由单脉冲向多脉冲发展。

图6给出了气压对混合气体放电的现象和电流波形的影响。实验时，腔体中充入气压为0.2atm的氦气和氩气混合气体，其中氩气占比为5％，并保持外加电压幅值为8kV。从图6中可见，随着气压的升高，放电逐渐由均匀放电过度为类辉光放电，放电电流也由符合辉光放电特征的单脉冲逐渐过度为符合细丝放电特征的多脉冲，同时非对称放电的现象也越来越明显。这反应了气压是影响放电机理的重要因素。

图7给出了外加电压幅值对氦气和氩气混合气体放电现象和放电电流的影响。实验条件为：腔体中充入气压为0.2atm的氦气和氩气的混合气体，氩气占比为7.5％。与单一气体放电不同的是，混合气体放电存在辉光放电与细丝放电共存的情况，这可以从电流脉冲的分叉、放电电流存在毛刺以及放电存在亮度不同的区域等现象中看出，但是随着外加电压幅值的升高，放电趋于类均匀模式，等离子体逐渐充满整个放电腔体，肉眼逐渐无法分辨放电细丝的存在，电流脉冲的幅值增大，正负相的不对称性增强，这都表示放电的剧烈程度的增加。

图8给出了外加电压频率对氦气和氩气混合气体放电现象和放电电流的影响。实验中，混合气体压强为0.2atm，氩气占比为10％，外加电压幅值为5kV。从图8中放电现象和电流波形可以看出，随着电压频率的升高，放电越来越剧烈，电流脉冲幅值逐渐增大，而放电也由细丝放电逐渐变为肉眼无法分辨细丝的类均匀放电。

当混合气体的压强为0.2atm，调节外加电压幅值至12kV，使得放电处于类辉光放电模式，图9给出了不同氩气占比情况下的放电现象和电压电流波形。图9中可以看出，当等离子体处于类辉光放电模式时，随着氩气占比的提高，从等离子体外观来看，放电剧烈程度变化较小，电流脉冲的幅值基本保持不变，只是略有增加。

当混合气体的压强为0.1atm、外加电压幅值为8kV时，不同Ar占比的实验等离子体照片与电压电流波形如图10所示。从图10中可以看出，当Ar占比≤30％时，放电处于辉光放电模式，放电为非对称放电，正半周期的电流脉冲幅值较大。随着Ar占比的提高，正负半周期内的放电电流幅值均有所增加，但仍符合辉光放电的电流特征。当Ar占比为50％时，即开始出现一个较窄的明亮的放电通路，但是在靠近电极处，等离子体仍呈现出扩散型的特征，只是在腔体中部形成了一个电弧通道，使得等离子体的阻抗减小，放电电流的幅值有较大的增加，但是电流波形在负半周期还是具有辉光放电的特征。

综上，本发明提供的一种基于氦气-氩气混合气体的大面积均匀冷等离子体发生装置及方法，采用介质阻挡放电结构，同时结合氩气等离子体电子密度高和氦气等离子体均匀度好的优点，避免了氩气等离子体难以产生大面积均匀等离子体和氦气等离子体电子密度提升困难的问题，可获得大面积、均匀、电子密度条件范围宽的等离子体。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，除非另有规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本文使用的术语“和\或”包括一个或多个相关的所列项目的任一的和所有的组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，包括放电腔体(1)、进气口(2)、出气口(3)、混充模块(4)、抽真空模块(5)、电极(6)和高压交流电源(7)；

所述放电腔体(1)为立方体结构，所述放电腔体(1)上设置有进气口(2)和出气口(3)；

所述进气口(2)与混充模块(4)连接，所述出气口(3)与抽真空模块(5)连接；

所述混充模块(4)包括氦气储气罐(41)和氩气储气罐(42)，所述氦气储气罐(41)的氦气和氩气储气罐(42)的氩气在所述进气口(2)处混合；

所述放电腔体(1)的壳体外部相对设置电极(6)，所述电极(6)与高压交流电源(7)连接。

2.根据权利要求1所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，所述混充模块(4)还包括流量计(43)和输送管道(44)，所述输送管道(44)的进口分别连接所述氦气储气罐(41)和所述氩气储气罐(42)、出口与所述进气口(2)连接。

3.根据权利要求1所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，所述放电腔体(1)的材料采用石英玻璃、有机玻璃，壁厚为1-10mm。

4.根据权利要求1所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，所述混充模块(4)中氦气-氩气混合气体中氩气体积比为1％～50％。

5.根据权利要求4所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，所述放电腔体(1)的充气压力为0.01～0.2MPa。

6.根据权利要求1所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，所述进气口(2)处安装有真空表(21)。

7.根据权利要求1所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，其特征在于，所述高压交流电源(7)与所述电极(6)之间安装有示波器(8)。

8.一种基于混合气体的大面积冷等离子体发生方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生装置，所述方法包括：

步骤一：采用抽真空模块对放电腔体进行抽真空操作；

步骤二：对放电腔体内充入0.1-1个大气压的氦气或氩气，重复步骤一；

步骤三：重复步骤一和步骤二反复，直到排干净放电腔体内的空气；

步骤四：按预设气体体积比和充气压力，在放电腔体内充入氦气-氩气混合气体；

步骤五：调节高压交流电源至放电腔体内产生稳定的大面积、均匀等离子体。

9.根据权利要求8所述的基于混合气体的大面积冷等离子体发生方法，其特征在于，所述预设气体体积比为氦气-氩气混合气体中氩气体积比为1％～50％，充气压力为0.01～0.2MPa。

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