CN1119923C - 磁驱动高压非平衡等离子体产生方法及装置 - Google Patents

磁驱动高压非平衡等离子体产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种用于化工、环境工程、材料制备及表面处理的高压非平衡等离子体的产生方法及装置，装置由中心电极、外电极、气路及磁场线圈组成。磁场使电弧绕中心电极高速旋转，同时磁场又对旋转电弧产生推力，把电弧快速推向出口并熄灭，与此同时，电弧又在电极间的距离最小处点燃，并重复上述过程，形成脉冲放电。这种方法可以产生氧化性、还原性及其它成分的高压非平衡等离子体。

Description

磁驱动高压非平衡等离子体产生方法及装置
本发明涉及等离子体的产生方法及装置，尤其是高压非平衡等离子体的产生方法及装置。
传统的低温等离子体主要分为两大类，高压热等离子体及低压非平衡等离子体。热等离子体一般在大气压或更高的压力下产生，等离子体温度最高可达2-3万度，低压非平衡等离子体一般在负压下产生，这种类型的等离子体的电子温度很高而重粒子温度很低，一般接近室温，非平衡等离子体具有较高的能量利用率，对化学反应有较好的选择性，但是由于这种等离子体产生装置要工作在负压下，必须配备庞大的真空系统，因此使用场合受到限制。如果能在大气压或更高压力下产生非平衡等离子体那肯定会受到人们的极大欢迎。近几年已发展了一种滑动弧放电技术，这种方法可以在高压下产生非平衡等离子体，1988年法国人H.Lesueur等人申请了专利(Franch Patent 2639172)。他们的产生技术是在一对电极间加上电压并通过气流，利用气动力来推动电弧，使它移向下游并形成脉冲放电，这种方法的缺点是电弧在放电空间分布不均匀，同时气流与电弧之间的相对速度也较小，因此不能达到使电弧和冷气流之间进行强烈掺混的目的，不利于提高等离子体的非平衡度。
本发明的目的在于促进上述问题的解决，提供一种放电空间分布均匀的高压非平衡等离子体的产生方法及装置。
本发明采用的技术解决方法是，将气体从中心电极和外电极的起弧端输入并向出口流动，利用电极间的电位差形成放电电弧，并对放电电弧施加一使其高速旋转的磁场，同时对该旋转的电弧施加一使其轴向运动的径向磁场，在旋转的电弧被径向磁场推向出口并熄灭的同时，在电极间重点燃电弧，重复上述过程形成脉冲放电。由于电弧在电磁力的推动下移动的速度比气流推动下的速度快得多，可以使电弧和气流之间形成很大的相对速度，同时在空间也可以和气流产生大范围的掺混，当磁场强度为0.03T时，磁驱动产生的脉冲放电频率比气流推动的要高3-4倍。较高的放电频率有利于提高等离子体的非平衡度。
本发明是采用一种适合直流供电的高压非平衡等离子体的产生装置，它包括一对用于起弧放电的电极，向电极之间输入放电气体的气路和给电极供电的电源，电极包括一中心电极、及环绕中心电极并与中心电极间隔的外电极，在外电极外设置的一个磁场装置；气路的出气口设置在电极之间的上游位置，致使进入电极的气体从电极的上游均匀输入，向电极的下游方向流动。中心电极与外电极之间距离自放电起始点始随着轴向距离的增加而扩大，使电弧在向下游移动时，不断被拉长，气体从电极间的上游(即距离最小处)均匀输入，向电极间距离增大方向流动。磁场装置套在外电极上，磁场的强度可以根据需要进行调节，当中心电极和外电极之间接上10000伏电压时，气隙立即被击穿，形成弧光放电。这时电弧在轴向磁场的作用下绕中心电极高速旋转，高速旋转的电弧又受到径向磁场的作用力，使电弧在旋转的同时被快速推向下游，由于越向下游，电极之间的距离越大，当达到一定距离时，电弧的热损耗已增大到使电弧无法再维持其热力学平衡态，这时电弧等离子体中的重粒子温度迅速下降，而电子温度仍保持较高的温度(1-2ev)，当电弧继续向下游移动时，电极间的距离进一步扩大，最后由于受电源功率限制，电弧无法维持而熄灭，与此同时，电弧又从电极间的距离最小处点燃，重复上述过程，形成脉冲放电。
本发明采用磁驱动电弧移动的方法，电弧的移动速度比气流推动的快得多，所以脉冲放电的频率可以提高数倍，从而有利于提高等离子体的非平衡度。
图1是磁场对电弧作用的示意图。
图2是高压非平衡等离子体产生装置的示意图。
图3是等离子体产生装置电极部分的结构图。
图4是磁场强度和放电频率的关系图。
下面结合附图对本发明的技术内容及实施例作一详细介绍。
图1表示电弧在磁场作用下的受力情况，图中间是中心电极17，外面是外电极18，磁场在两电极间的磁力线分布如图中弧线所示。任何一点的磁场都可以分解为一个轴向磁场分量Bz及一个径向磁场分量Br。当电极的极性配置为中心电极负，外电极正时，放电电流的方向是从外电极指向中心电极，此电流定义为径向电流Ir。根据磁场对电流的作用原理可知，轴向磁场Bz会对径向电流Ir产生一个作用力Fθ，电弧在这个力的作用下会绕中心电极高速旋转，旋转速度和磁场强度及电流的大小有关，
                      Fθ＝Ir×Bz由于弧光放电中主要的导电粒子是电子，电子在磁场中的运动速度比正离子快得多，绕中心电极高速旋转的电弧中的电子在径向磁场Br的作用下，受到一个轴向作用力Fz，作用力Fz可表示为：
                       Fz＝q(V×Br)这里q是电子电荷，V是电子的速度，旋转电弧中的电子在轴向推力Fz的作用下被推向下游，而正离子在库仑力的作用下，也和电子一起移向下游，从而使电弧在整体上向下游移动。调节磁场强度可以改变电弧的旋转速度及向下游的推进速度，从而也就达到了改变放电频率的目的。由于磁场推动电弧运动的速度比气流推动的速度高得多，因此磁驱动放电频率比气推动高得多。
图2是本发明磁驱动高压非平衡等离子体产生装置实施例的示意图。它由以下几部分组成，磁场电源1，它用于对磁场供电，磁场电流可以连续调节，从而改变磁场强度；磁场线圈2，它采用螺旋管形状，套装在等离子体产生装置3的外电极上；电弧电源4，它包括主电源和引弧电源两部分，主弧电流可以连续调节；气体流量计5和气体流量调节阀6用于控制等离子体装置的进气流量。调节不同的电弧电流及不同的气体流量，可以得到不同非平衡度的等离子体。
图3为本发明等离子体产生装置实施例的电极结构图。电极包括：压紧弹簧7，气路结头8，由绝缘材料制成的后盖9，后盖的压紧螺母10，密封垫11，后本体12，密封垫13，绝缘支座14，密封垫15，进气环16，中心电极17，中心电极的直径在轴线方向逐步收缩，呈渐锥形，外电极18，外电极呈喇叭形，越向下游，口径越大，前本体19。后盖9和绝缘支座14应由耐高温的绝缘材料制成，内、外电极17、18由熔点高、耐氧化的金属材料制成，气路结头8可作为中心电极的电路结头。
图4给出了本发明实施例实测所得出的磁场强度、气体流量和放电频率之间的关系。

Claims (6)

1.一种产生高压非平衡等离子体的方法，将气体从电极之间的起弧端输入并向出口流动，利用电极间的电位差形成放电电弧，其特征在于：对放电电弧施加一使其高速旋转的轴向磁场，同时对该旋转的电弧施加一使其轴向运动的径向磁场，在旋转的电弧被径向磁场推向出口并熄灭的同时，在电极间重点燃电弧，重复上述过程形成脉冲放电；而且中心电极和外电极之间的距离自放电起始点始随轴向距离的增加而扩大。
2.一种高压非平衡等离子体产生装置，它包括一对用于起弧放电的电极、向电极之间输入放电气体的气路和给电极供电的电源，其特征在于：
所述电极包括一中心电极及环绕中心电极并与中心电极间隔的一外电极，在外电极外设置一个磁场产生装置，气路的出气口设置在电极之间上游位置，致使进入电极的气体从电极的上游均匀输入，向电极的下游方向流动；而且中心电极和外电极之间的距离自放电起始点始随轴向距离的增加而扩大。
3.根据权利要求2所述的产生高压非平衡等离子体的装置，其特征在于：采用调节磁场强度的方法控制脉冲放电的频率。
4.根据权利要求2所述的产生高压非平衡等离子体的装置，其特征在于通过调节不同的电弧电流及不同的气体流量来控制等离子体的非平衡度。
5.根据权利要求2所述的产生高压非平衡等离子体的装置，其特征在于中心电极为自放电起始端到放电输出端渐锥形状的电极。
6.根据权利要求2所述的产生高压非平衡等离子体的装置，其特征在于外电极为自放电起始端到放电输出端呈喇叭口形逐渐扩大的电极。
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