CN112153798A - 利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法。该装置利用针电极、介质管及平板电极组成喷枪结构，通过在针电极上施加高压交流电压，在介质管敞口端的开放环境产生非均匀丝状等离子体羽，之后逐渐增加在平板电极上施加的高压正直流电压，使得非均匀丝状等离子体羽转变为均匀等离子体羽。在本发明实施例中所产生的均匀等离子体羽最大直径为20mm，大于现有大多数在惰性气体中产生的大气压等离子体羽的直径，且不需要添加其他气体，提高了处理速率和效率，适宜大规模工业应用，在表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等领域具有深远的意义。

Description

利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法
技术领域
本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法。
背景技术
等离子体射流利用气流和电场的作用使得放电区域产生的等离子体从喷管或喷口喷出，实现了放电区域和工作区域的分离。大气压等离子体射流产生的等离子体羽富含多种活性粒子，如OH自由基、O3、处于激发态的N2等；还有大量高能粒子(如电子)及紫外线。这些活性粒子、高能粒子及紫外线在许多领域具有十分重要的作用，如材料处理、元素探测、废水净化、癌症治疗及牙齿美白等。
等离子体羽的长度表征了射流传导活性粒子的能力，因此等离子体射流应用中力求产生更长的等离子体羽。利用单电极等离子体射流，在正弦激励下产生了长11cm的氦气等离子体羽(见公开文献Applied Physics Letters,2008,92:081502)。利用高压脉冲电压激励介质阻挡放电射流，产生了长度约为6cm的氩气等离子体羽(见公开文献NanoscaleResearch Letters,2014,9:697)。这些等离子体较长，有利于处理复杂的三维物体，但直径只有亚毫米量级，限制了等离子体射流用于大面积材料处理的工作效率。由于这些细等离子体羽看起来是丝状的，如果仅通过增大射流管的直径来增加等离子体羽直径，会使等离子体羽变为不均匀的丝状放电。丝状放电会对脆弱样品造成损伤。因此，应尽量避免产生不均匀的丝状等离子体羽，实现均匀等离子体羽。
鉴于此，如何产生均匀等离子体羽对射流应用具有重要意义。通过向氩气中加入氨气(或氢气)，当氨气(或氢气)的体积分数达到3％以上时，等离子体变得均匀(见公开文献Physics of Plasmas,2016,23,093503和Journal of applied Physics,2013,114,043301)。类似的，当向氩气中加入丙酮的体积分数约为3％时，放电由丝状变为均匀(见公开文献Japanese Journal of Applied Physics,2011,50,116002)。以上虽然实现了均匀等离子体羽，但等离子体羽直径仍然只有毫米量级。
在专利申请文件(CN201410780621.6)中公开了一种产生连续低温大截面大气压等离子体羽的装置及方法，其所产生的均匀等离子体羽的最大直径为7mm。现有研究的技术背景表明均匀冷等离子体羽的直径一般小于厘米量级。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法，以解决现有方法所产生的均匀等离子体羽直径较小的问题。
本发明是这样实现的：一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括针电极、介质管和平板电极；针电极的放电端与平板电极的极板板面相对，且针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内，并伸入到介质管的敞口端处；针电极的非放电端与供电机构相接；所述供气机构包括供气管路以及用于向所述放电机构提供惰性工作气体的储气罐；所述供电机构包括高压交流电源、高压直流电源和镇流电阻；所述高压交流电源与所述针电极的非放电端相接；所述高压直流电源经镇流电阻与平板电极相接。
本发明所提供的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，具体包括如下步骤：
a、设置放电机构：使针电极与平板电极相对放置，针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内并伸入到介质管的敞口端处；
b、设置供气机构：使储气罐通过供气管路连接介质管靠近封口端的进气口；
c、设置供电机构：使针电极的非放电端连接高压交流电源，使平板电极通过镇流电阻连接高压直流电源；
d、打开供气管路上的气阀，使储气罐内的惰性工作气体经供气管路流入介质管内，并经介质管的敞口端喷出，进入针电极与平板电极之间的放电空间；
e、打开高压交流电源的开关，向针电极上加高压交流电压；逐步提高针电极上电压，当电压峰值为5-8.5kV时，即可在针电极和平板电极间产生大直径非均匀丝状等离子体羽；
f、打开高压直流电源的开关，向平板电极上加高压正直流电压；逐渐增加平板电极上电压，当电压为5.8-15kV时，针电极与平板电极之间的大直径非均匀丝状等离子体羽会转变为均匀等离子体羽。
本发明中，介质管的内径大于等于20mm，例如可设置介质管的内径为20-50mm，以保证所产生的等离子体羽直径达到厘米量级。
本发明由储气罐向放电机构提供的工作气体以惰性气体为主，一些情况下含少量氧的惰性气体在本发明中也是可以实施的。
本发明中，仅在高压交流电压激励的情况下产生的大直径等离子体羽是不均匀的；而利用施加的高压正直流电压抑制掉细丝放电，即可产生大直径均匀放电。
本发明提供了一种利用惰性气体产生直径为厘米量级的大直径均匀等离子体羽的装置及方法，该装置利用针电极、介质管及平板电极组成喷枪结构，通过在针电极上施加高压交流电压，在介质管敞口端的开放环境产生非均匀丝状等离子体羽，之后逐渐增加在平板电极上施加的高压正直流电压，使得非均匀丝状等离子体羽转变为均匀等离子体羽。在本发明实施例中所产生的均匀等离子体羽最大直径为20mm，大于现有大多数在惰性气体中产生的大气压等离子体羽的直径，且不需要添加其他气体，提高了处理速率和效率，适宜大规模工业应用，在表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等领域具有深远的意义。
本发明结构简单，操作方便，价格低廉，装置设置于开放的大气环境中，摆脱了昂贵的真空装置，便于实现对大面积材料的快速处理。
附图说明
图1是本发明利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置的结构示意图。
图2是本发明实施例2中在高压交流电压峰值为6.3kV，对应高压直流电压分别为0kV、5kV、6.5kV和9kV时，所拍摄的针电极与平板电极之间的放电照片图。
图3是本发明实施例2中在高压交流电压峰值为6.3kV，对应高压直流电压分别为0kV、和9kV时，针电极与平板电极之间的电压波形以及等离子体羽的发光信号波形示意图。
图中：1、高压交流电源；2、储气罐；3、气阀；4、供气管路；5、气压表；6、流量计；7、针电极；8、介质管；9、平板电极；10、镇流电阻；11、高压直流电源。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施。因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1，利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置。
如图1所示，本发明所提供的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置包括放电机构、供气机构和供电机构。
放电机构包括两个放电电极和一个介质管8，两个放电电极分别为针电极7和平板电极9。介质管8呈一端封口另一端敞口的管状结构，针电极7的一端(非放电端)与供电机构相连接，另一端为针尖状结构的自由端，该自由端也即放电端；针电极7的自由端自介质管8的封口端穿入介质管8内，并伸入到介质管8的敞口端处，针电极7的自由端与介质管8的敞口端平齐。在介质管8靠近其封口端处设有一开口，该开口为进气口，介质管8通过该进气口与供气机构相接。针电极7在介质管8内位于介质管8的中心轴线上。针电极7的自由端与平板电极9的极板板面相对。平板电极9也与供电机构相接。
供气机构包括供气管路4以及用于向放电机构提供工作气体的储气罐2；供气管路4的一端与储气罐2相接，另一端与介质管8上靠近封口端的开口相接。在供气管路4上设置有气阀3、气压表5和流量计6。储气罐2可通过供气管路4向介质管8内通入工作气体，工作气体可以是惰性气体(氦气、氖气、氩气、氪气或氙气等)或含氧惰性气体。工作气体在介质管8内自封口端向敞口端流动，并经敞口端(出气口)进入针电极7与平板电极9之间的放电空间。
供电机构包括高压交流电源1、高压直流电源11和镇流电阻10。高压交流电源1与针电极7露在介质管8外的一端相接，高压直流电源11通过镇流电阻10与平板电极9相接。高压交流电源1用于向针电极7施加高压交流电压，高压直流电源11用于向平板电极9施加高压正直流电压。
工作时，打开气阀3，由储气罐2向介质管8内充工作气体；接着打开高压交流电源1，调节高压交流电源1的输出电压峰值在5-8.5kV，即可在针电极7与平板电极9之间产生大直径(厘米量级)非均匀丝状等离子体羽；之后打开高压直流电源11，调节高压直流电源11的输出电压为5.8-15kV，针电极7与平板电极9之间的非均匀丝状等离子体羽会转变为均匀等离子体羽。
实施例2，利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法。
本发明中方法是利用惰性气体射流产生了大直径均匀的等离子体羽，所采用的装置如实施例1所述，本实施例中产生大直径均匀等离子体羽的方法具体步骤如下：
步骤1：设置放电机构：使针电极7和平板电极9相对放置，针电极7的针尖状自由端自介质管8的封口端穿入介质管8内并伸入到介质管8的敞口端处，针电极7的自由端与介质管8的敞口端平齐。介质管8内径为20mm，针电极7与平板电极9之间的距离为60mm。
步骤2：设置供气机构：使储气罐2通过供气管路4连接介质管8靠近封口端的进气口。储气罐2内存储有氩气。
步骤3：设置供电机构：使针电极7上与自由端相对的另一端连接高压交流电源1，使平板电极9通过镇流电阻10连接高压直流电源11。
步骤4：打开供气管路4上的气阀，使储气罐2内的氩气经供气管路4流入介质管8内，氩气在介质管8内自封口端向敞口端流动，并经敞口端(出气口)喷出，进入针电极7与平板电极9之间的放电空间。控制通入介质管8内的氩气流量在10L/min。
步骤5：打开高压交流电源1的开关，向针电极7上加高压交流电压。逐步提高针电极7上电压，至针电极7上电压峰值达到6.3kV，即可在针电极7和平板电极9间产生大直径非均匀丝状等离子体羽。
步骤6：打开高压直流电源11的开关，向平板电极9上加高压正直流电压。逐渐增加高压直流电压，在高压直流电压分别为0kV、5kV、6.5kV和9kV时，利用照相机对四个时刻产生的放电进行拍摄，所得结果分别如图2中(a)、(b)、(c)、(d)所示。由图2中四幅图可以看出，(a)是非常明显的非均匀丝状等离子体羽，(b)相比(a)而言非均匀丝状等离子体羽有所减少，而(c)中显示已经转变为了均匀等离子体羽，(d)更是非常明显的均匀等离子体羽，因此，在高压直流电压从0kV、5kV、6.5kV到9kV的变化过程中，针电极7与平板电极9之间逐渐由非均匀丝状等离子体羽转变为了均匀等离子体羽。
将光电倍增管和示波器连接，利用示波器对针电极7和平板电极9间的电压以及等离子体羽的发光信号进行监测和记录，图3中(a)、(b)分别为高压正直流电压为0kV、9kV时对应的电压及光信号波形。图3(a)中每个电压正半周期有一个放电脉冲，而图3(b)中每个电压正半周期内没有放电脉冲，说明高压正直流电压将每个电压正半周期内的放电完全抑制掉了。

Claims (7)

1.一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括针电极、介质管和平板电极；针电极的放电端与平板电极的极板板面相对，且针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内，并伸入到介质管的敞口端处；针电极的非放电端与供电机构相接；所述供气机构包括供气管路以及用于向所述放电机构提供惰性工作气体的储气罐；其特征是，所述供电机构包括高压交流电源、高压直流电源和镇流电阻；所述高压交流电源与所述针电极的非放电端相接；所述高压直流电源经镇流电阻与平板电极相接。
2.根据权利要求1所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，其特征是，所述介质管的内径为20-50mm。
3.根据权利要求1所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，其特征是，所述高压交流电源的输出电压峰值为5-8.5kV，所述高压直流电源的输出电压为5.8-15kV。
4.一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，其特征是，包括如下步骤：
a、设置放电机构：使针电极与平板电极相对放置，针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内并伸入到介质管的敞口端处；
b、设置供气机构：使储气罐通过供气管路连接介质管靠近封口端的进气口；
c、设置供电机构：使针电极的非放电端连接高压交流电源，使平板电极通过镇流电阻连接高压直流电源；
d、打开供气管路上的气阀，使储气罐内的惰性工作气体经供气管路流入介质管内，并经介质管的敞口端喷出，进入针电极与平板电极之间的放电空间；
e、打开高压交流电源的开关，向针电极上加高压交流电压；逐步提高针电极上电压，即可在针电极和平板电极间产生大直径非均匀丝状等离子体羽；
f、打开高压直流电源的开关，向平板电极上加高压正直流电压；逐渐增加平板电极上电压，针电极与平板电极之间的大直径非均匀丝状等离子体羽会转变为均匀等离子体羽。
5.根据权利要求4所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，其特征是，步骤e中，调节针电极上电压峰值为5-8.5kV，即可在针电极和平板电极间产生大直径非均匀丝状等离子体羽。
6.根据权利要求4所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，其特征是，步骤f中，调节平板电极上电压为5.8-15kV，针电极与平板电极之间的大直径非均匀丝状等离子体羽会转变为均匀等离子体羽。
7.根据权利要求4所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，其特征是，步骤a中，介质管的内径为20-50mm。
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