CN112689374B - 一种基于直流电源的脉冲等离子体生成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于直流电源的脉冲等离子体生成系统，其结构包括真空室、直流电源、光电倍增管和示波器，真空室外接电容薄膜式绝对压强变送器，内置有阴极不锈钢针和阳极钼片，在真空室的侧壁上设置有位置相对的两个观察窗；示波器连接两个电压信号探头，其中一个电压信号探头与阴极不锈钢针电连接，另一个电压信号探头与阳极钼片电连接，用于显示施加在阴极不锈钢针和阳极钼片上的电压波形，并对真空室内生成的脉冲等离子体进行定性和定量分析。本发明输入电源结构简单，通过控制实验电路以及相关环境参数的变化，可实现输入端为直流电源的条件下在针板放电空间中生成稳定的脉冲等离子体。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体放电等离子体发生装置，具体地说是一种基于直流电源的脉冲等离子体生成系统。
背景技术
随着气体放电在产生等离子体领域的深入发展，气体放电等离子体技术在光谱分析、表面处理、材料制备和环境治理等领域中发挥了越来越重要的作用，自然界中不会自发产生持续存在的等离子体，人为产生等离子体的方式主要是通过气体放电，即使气体离子化。因此作为科学研究中的一个新兴领域，等离子体的产生一直是各个国家的学者所研究的热点。
等离子体具有高能活性，近年来，随着脉冲等离子体的出现，气体放电等离子体技术逐渐应用到人类生产生活的各个领域，在脉冲等离子体产生过程中，不会出现不规则的亮斑。但是其产生条件复杂，易受到外界环境的干扰。特别是产生脉冲的电源结构复杂，运行过程中电源能耗较高，部分团队以直流电源连接直流转换装置来产生周期性的脉冲电压，此类电源均需要对电源施加改装，由于电源的体积大，工艺复杂，价格贵，进而引起研发技术困难，性价比低。
现有产生脉冲等离子体的生成技术基本是以交流高压电源以及复合高压电源电离气体生成，如：用直流与直流之间的转换交替形成的脉冲电源、以直流电源连接交直流转换装置来产生脉冲电流、直流电源及使得电压倍增的谐振电路生成电路。此类电源均需要对电源施加改装，原理是以脉冲电源驱动脉冲等离子体的生成，但脉冲电源研发技术困难，性价比低，阻碍了脉冲等离子体的应用发展。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于直流电源的脉冲等离子体生成系统，以解决脉冲等离子体在直流电源下难以产生的问题。
本发明是这样实现的：一种基于直流电源的脉冲等离子体生成系统，包括：
真空室，为真空态的封闭壳状体，外接有电容薄膜式绝对压强变送器，内置有作为针板放电电极的阴极不锈钢针和阳极钼片，阴极不锈钢针与阳极钼片上、下相对，在真空室的侧壁上设置有位置相对的两个观察窗；
直流电源，其负极经限流电阻R1与阴极不锈钢针电连接，其正极接地，并经测量电阻R2与阳极钼片电连接；
光电倍增管，设置在真空室旁的一个观察窗的外侧，用于采集真空室内生成的脉冲等离子体光信号；以及
示波器，用以显示施加在阴极不锈钢针和阳极钼片上的电压波形，并对真空室内生成的脉冲等离子体进行定性和定量分析；在示波器上连接两个电压信号探头，其中一个电压信号探头与阴极不锈钢针电连接，另一个电压信号探头与阳极钼片电连接。
所述真空室包括顶部敞口的筒体以及扣盖在筒体上口的上盖，所述电容薄膜式绝对压强变送器通过管路连接在所述筒体上，在所述筒体的侧壁上还接有进气口、排气口、阳极接口和阴极接口。
本发明脉冲等离子体生成系统是以直流电源作为输入端，利用真空室和阴极不锈钢针与阳极钼片直接产生具有脉冲特性的等离子体。本发明输入电源结构简单，通过控制生成系统的电路以及控制相关环境参数的变化，就可以实现在真空室内的针板放电空间中生成稳定的脉冲等离子体。本发明脉冲等离子体生成系统在控制工作气体的气压、放电电流的大小等相关参数的条件下，在输入端为负高压直流电源的情况下，利用真空室内的针板放电电极生成脉冲等离子体。通过调整输入端直流电源的电压、真空室中的气体压强、阴极不锈钢针与阳极钼片之间的间距以及阴极不锈钢针的针尖曲率半径等参数，可以进一步改变脉冲等离子体的频率、输出脉冲电压和电流值以及放电空间的等离子体参数。
附图说明
图1是本发明脉冲等离子体生成系统的结构示意图。
图2是真空室的结构示意图。
图3是针板放电电极的结构示意图。
图4a是平均电流为25μA时空气中脉冲等离子体的电流和电压脉冲波形图。
图4b是平均电流为25μA时空气中平均电流和频率的关系图。
图5是平均电流25μA时等离子体电流与光信号的波形图。
图中：1、直流电源，2、限流电阻，3、真空室，4、观察窗，5、阴极不锈钢针，6、阳极钼片，7、光电倍增管，8、示波器，9、测量电阻，10、电流表，11、云母片，12、法兰，13、上盖，14、进气口，15、阳极接口，16、粗真空微调阀，17、细真空微调阀，18、电容薄膜式绝对压强变送器，19、排气口，20、阴极接口，21、放电极支架，V1、V2为示波器的两个电压信号探头。
具体实施方式
如图1所示，本发明脉冲等离子体生成系统包括真空室3、直流电源1、光电倍增管7和示波器8等部分。其中，真空室3为真空态的封闭壳状体，外接有电容薄膜式绝对压强变送器18，内置有作为针板放电电极的阴极不锈钢针5和阳极钼片6，阴极不锈钢针5与阳极钼片6上、下位置相对，在真空室3的侧壁上设置有位置相对的两个观察窗4，用以观测等离子体的产生过程。直流电源1的负极经限流电阻2与阴极不锈钢针5电连接，直流电源1的正极一路接地，另一路经测量电阻9与阳极钼片6电连接。光电倍增管7设置在真空室3旁的一个观察窗4的外侧，用于采集真空室内生成的脉冲等离子体光信号。示波器8用于显示施加在阴极不锈钢针5和阳极钼片6上的电压波形，并对真空室内生成的脉冲等离子体进行定性和定量分析。示波器8连接两个电压信号探头（V1、V2），其中电压信号探头V1与阴极不锈钢针5电连接，电压信号探头V2与阳极钼片6电连接。在直流电源1与阳极钼片6的连接导线上还接有电流表10，用以检测放电电流。
如图2所示，真空室3包括顶部敞口的筒体以及通过法兰12固定在筒体上口的上盖13，电容薄膜式绝对压强变送器18通过管路连接在筒体上，在筒体的侧壁上还接有进气口14、排气口19、阳极接口15和阴极接口20。在连接电容薄膜式绝对压强变送器18的管路上还设置有粗真空微调阀16和细真空微调阀17。
如图3所示，阴极不锈钢针5和阳极钼片6分别设置在放电极支架21上，在放电极支架21上设置有两个位置相对的方形云母片11，曲率半径为50μm~500μm的阴极不锈钢针5垂直穿接并通过绝缘密封胶固定在左侧云母片11的中心孔位上，作为针板放电单元的阴极。圆形的阳极钼片6粘贴在右侧云母片11上的右端面上，与阴极不锈钢针5位置相对，作为针板放电单元的阳极。阴极不锈钢针5的针尖应对准阳极钼片6的中心位置。阴极不锈钢针5的针尾和阳极钼片6的背面分别连接导线，导线各自连接到真空室3的阳极接口15和阴极接口20上，以便与直流电源1的正负极相连接。由此形成针板放电电极结构。将针板放电电极放入并固定在真空室3内，阴极不锈钢针5和阳极钼片6处于上、下相对的位置。
操作之前，先通过进气口14向真空室3内充入实验环境所需的工作气体，通过排气口19抽气，再利用粗真空微调阀16和细真空微调阀17向反应真空室3内冲入空气，使真空室内的气体压强达到实验所需的数值，气压数据通过电容薄膜式绝对压强变送器18读取。在静置一段时间后，使真空室3内的反应环境趋于稳定。操作开始后，接通直流电源1，微调输出直流电压（电压提升步长为1V），使针板放电空间内出现由阴极向阳极空间发光并且发光逐渐增强的现象。当放电电流到达几十微安到几个毫安的阶段时，在针板放电电极的空间内即产生脉冲等离子体。
为进一步对脉冲等离子体的性质进行验证，利用示波器8所导出的波形数据对等离子体参数作进一步分析。首先，放电电路的电压信号被处在脉冲等离子体生成系统中的示波器的电压信号探头（V1、V2）所采集，并回传到示波器8中，在示波器的图像输出端呈现出电压信号图像，将采集到的脉冲信号转换成数据信息送入计算机，经过计算机软件分析，可以得到不同阶段针板放电空间内的等离子体的脉冲性质。经过分析，在不同曲率半径下的针板放电电极所产生的脉冲等离子体的性质相近，仅仅是脉冲的频率略有不同。由图4a可见，在空气中p = 2Torr，R1 = 2MΩ，r = 0.1mm的条件下，所产生的平均电流为25μA的脉冲等离子体的电压电流波形图，其电压的峰值是455.4V，最小值是347V；电流的峰值是496μA，最小值是4μA；电流脉冲上升沿约为9.6μs，下降沿约为33.2μs，等待时间约为250μs。在示波器8的输出端可以显示出周期性的脉冲信号，电流和电压均呈现出周期性的脉冲特性，说明此时已经产生了脉冲等离子体。脉冲等离子体的频率随着电流条件的改变而变化，由图4b可见，随着平均电流的上升，脉冲的频率随之升高。
图5给出了利用光电倍增管从垂直电极间隙测量得到了自脉冲光信号的时间演化特性。由图5可见，电流和光信号具有很好的对应关系。当放电电流较小时，光信号极弱。放电击穿的同时，电流出现迅速上升，放电空间光强随之出现陡增。当电流达到峰值时，光信号也达到最高值。然后随着电流的下降，光强逐渐下降。由此可以看到，发光强度的上升沿时间要小于发光的衰减时间，这与电流变化趋势相符。由于发光强度与激发态粒子密度直接相关，而激发态粒子密度与电子密度等的等离子参数直接相关，因此，该结果也证明，放电空间内生成的等离子体是呈现周期性脉冲性质的。
Claims (1)
1.一种基于直流电源的脉冲等离子体生成系统，其特征是，包括：
真空室，为真空态的封闭壳状体，外接有电容薄膜式绝对压强变送器，内置有作为针板放电电极的阴极不锈钢针和阳极钼片，阴极不锈钢针与阳极钼片上、下相对，在真空室的侧壁上设置有位置相对的两个观察窗；
直流电源，其负极经限流电阻R1与阴极不锈钢针电连接，其正极接地，并经测量电阻R2与阳极钼片电连接；
光电倍增管，设置在真空室旁的一个观察窗的外侧，用于采集真空室内生成的脉冲等离子体光信号；以及
示波器，用以显示施加在阴极不锈钢针和阳极钼片上的电压波形，并对真空室内生成的脉冲等离子体进行定性和定量分析；在示波器上连接两个电压信号探头，其中一个电压信号探头与阴极不锈钢针电连接，另一个电压信号探头与阳极钼片电连接；
所述真空室包括顶部敞口的筒体以及通过法兰固定在筒体上口的上盖，所述电容薄膜式绝对压强变送器通过管路连接在所述筒体上，在所述筒体的侧壁上还接有进气口、排气口、阳极接口和阴极接口；在连接电容薄膜式绝对压强变送器的管路上设置有粗真空微调阀和细真空微调阀；
所述阴极不锈钢针和所述阳极钼片分别设置在放电极支架上，在所述放电极支架上设置有两个位置相对的方形云母片，曲率半径为50μm~500μm的阴极不锈钢针垂直穿接并通过绝缘密封胶固定在其中一个云母片的中心孔位上，作为针板放电单元的阴极；所述阳极钼片为圆形，设置在另一个云母片上的与阴极不锈钢针相对的一面的中部位置上，作为针板放电单元的阳极；所述阴极不锈钢针的针尖对准所述阳极钼片的中心位置；阴极不锈钢针的针尾经导线连接到真空室的阴极接口上，阳极钼片的背面经导线连接到真空室的阳极接口上。
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