CN113649360A - 一种消除物体表面沾污的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除表面沾染的方法及其装置。所述方法包括发射自由电子；生成自由电子加速电场，加速所发射的自由电子；生成自由电子碰撞过程调制电场，控制部分自由电子与所述调制电场中的气体分子相互作用产生碰撞电离过程，生成碰撞电离自由电子；分步地控制自由电子和碰撞电离自由电子共同作用于沾染表面。本发明通过场发射过程降低自由电子透过高真空区域与被沾染表面所在的复杂气氛之间界面的能量要求，通过分级分区域地结构设计，可实现低能自由电子的有效透过；通过分步地构建状态不同的加速电场和调节气压，控制被沾染物质周围电子能量的时变过程和作用次序。

Description

一种消除物体表面沾污的方法及装置

技术领域

本发明属于表面清洁技术、被沾污表面消毒技术、真空电子技术、气体电子技术、等离子体技术、电子束技术等领域，具体涉及一种消除物体表面沾污的方法及装置。

背景技术

固体表面经常存在沾污的问题，电子束广泛用于高等级的表面沾污清洁技术，典型实例包括：第一，在物流包装清洁化应用中，表面致病微生物沾污成为传染性疾病的重要传播途径，但病毒、细菌等致病微生物尺寸微小、通常沾染区面积占比低，而洁净化过程通常要求快速完成。但微生物自身抗逆性较强，常用的液体消杀剂喷淋等湿法表面清洁技术，需要较大的药液量，对土壤环境危害等副作用大。由于电子束直接作用可实现快速消杀，因此，表面清洁技术领域的技术人员将电子束作为一种重要的解决途径，意图实现快速的干法表面消杀。第二，在太阳能电池板封装玻璃清洁化应用中，太阳能电池板表面玻璃保护层的沾污对电池板整体转化效率造成的负面影响非常显著，由于有氢键生成，甚至有新的化合过程产生，简单的机械擦拭难以奏效，通过液体清洗液也难以产生足够的效果，此外湿法还存在污渍残留、破坏玻璃自身表面状态的问题。因此，表面清洁技术领域的技术人员也将电子束作为一种重要的解决途径。第三，在材料加工工艺衔接过程的表面清洁化应用中，由于材料经过不同处理需要的环境不同，或者因为虽然环境条件类似，但工艺过程差异大无法在相同装置中实现，均导致材料加工过程需要在不同设备中流转，从一个设备取出放置在另外一个设备之前，产生表面沾污。由于材料表面状态对重粒子为主的清洗过程十分敏感，可能产生化学反应，形成新的物质，因此，自由电子作为基本粒子是降低沾污，广谱处理的好方法，表面洁净技术领域技术人员为此将电子束作为一种重要途径。

然而，在电子束的表面洁净化应用中，普遍存在两个问题，一是装置大型化、电子能量过高、能效低，二是被沾污物体通常处于常压空气或其他复杂的气体环境中，电子能量难以有效控制，物体自身的表面结构破坏和改性难以得到有效控制。

为解决上述问题，现有公开文献中采用的主要思路是调控由被沾污表面表面到电子源的压强梯度，虽然一定程度上降低了处理区和加速区的压强梯度，但上述瓶颈问题无法从根本上解决。因此，亟需一种电子能量具有更大可调范围的自由电子表面沾污处理器，尤其为适应表面沾污、气体环境和表面状态在电子束作用下的不同产物之间的相互作用，需要在不同的产物状态下调控自由电子的能量密度分布函数，实现时序化可控的不同能量状态电子束分时处理，以提高洁净化效率、广谱性并降低对被沾污物体表面自身结构的破坏。为充分适应面处理的特征，这种净化器最优的制造方法，应能够基于精密加工技术集成制造，以实现微小型化的系统和器件，并可实现发生器单元的阵列化、大面积布控。更进一步，还应当兼容被沾污物体所在环境的气压、气氛的调控。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种消除物体表面沾污的方法及装置，解决了电子束表面沾污处理中对微型化、模块化和集成化系统的需求问题，更进一步地，解决了常见的不完全沾污情况下，电子束处理技术中高能电子表面损伤和反溅沉积问题，以及副产物多、应用条件复杂的问题，同时实现表面净化和表面状态保护。本发明的被沾污表面处理装置作为一种自由电子表面沾污洁净化处理器，其使用微米-纳米结构控制自由电子透过和二次发射过程，在能够实现10千电子伏以上的较高能量自由电子高透过率的同时，使10kV以下的低能自由电子也能有效透过电子窗，直接作用于被沾污表面，或与受控气体环境中的气体分子相互作用后再作用于被沾污表面。从而有利于调控自由电子的能量密度分布，优化其能量分布状态。更进一步地，分步骤地以不同电子能量分布特征状态的电子束进行处理，可在实现高效率、广谱性的同时，实现对表面状态的最大限度保护。

第一方面，本发明提供一种消除物体表面沾染的方法，包括：

发射自由电子；

生成自由电子加速电场，通过所述加速电场加速所发射的自由电子；

生成自由电子碰撞过程调制电场，通过所述调制电场控制部分自由电子与所述调制电场中的气体分子相互作用产生碰撞电离过程，生成碰撞电离自由电子；

控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子共同作用于被沾染表面，并使电子能量密度分布函数处于第一特征状态。

在一个具体的可实施方式中，还包括：

进一步控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子共同作用于被沾染表面，并使电子能量密度分布函数处于第二特征状态，所述的第二特征状态和第一特征状态不同。

在一个具体的可实施方式中，控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子共同作用于被沾染表面，使电子能量密度分布函数在第一特征状态、第二特征状态间多次改变。

在一个具体的可实施方式中，还包括：

构造多个不同的电子能量密度分布函数的特征状态；

控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子多次共同作用于被沾染表面，每次使电子能量密度分布函数处于所述多个特征状态之一。

在一个具体的可实施方式中，所述发射自由电子的过程为：

制造并保持阴极材料周围的低气压环境形成低气压区；

施加所述加速电场使电子逸出阴极材料表面，进入低气压区成为自由电子。

在一个具体的可实施方式中，通过低气压区的所述加速电场调制所发射的自由电子的能量和通量，使所述自由电子逐层、逐级地以场发射形式进入被沾污表面所处的常压区。

在一个具体的可实施方式中，在常压区生成自由电子碰撞过程调制电场；

调节所述调制电场，通过自由电子与气体分子的碰撞电离使自由电子增殖并调控其能量。

在一个具体的可实施方式中，控制自有电子透过多级场致发射电子窗实现所述自由电子逐层、逐级地以场发射形式进入被沾污表面所处的常压区；

所述多级场致发射电子窗具有闭孔多孔结构，且至少在部分的闭孔孔洞中，设置有电场增强纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，使所述自由电子逐层、逐级地以场发射形式进入被沾污表面所处的常压区的过程包括：

在常压区和低气压区的交界处，设置多个场致发射结构，每个场致发射结构均能获取并聚集自由电子，以及产生场致发射；

部分场致发射结构所发射的自由电子，能够至少部分地被其他场致发射结构所获取，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，直至自由电子从低气压区逸出到常压区，进入自由电子碰撞过程调制电场，并与其中的气体分子相互作用产生碰撞电离过程，生成碰撞电离自由电子。

在一个具体的可实施方式中，通过调节自由电子的平均自由程及其逸出低气压区的位置与被沾污表面表面之间的相对距离，调控自由电子与被沾污表面周围气体分子的碰撞电离和激发过程。

在一个具体的可实施方式中，还包括：

检测低气压区和常压区的气体中颗粒物、化学成分和气压；

监控低气压区状态和被沾污表面的消杀微生物或净化无生命的污染物处理效果。

本发明提供的所述方法，通过场致发射过程引导自由电子从高真空区域进入低真空、常压区域，通过低真空、常压区域的电场分布进一步调制自由电子的密度分布和能量分布，通过分步地以不同电子能量密度分布特征分时处理提高工艺过程可控性。

第二方面，本发明提供一种被沾污表面处理装置，包括：

低能电子源01和布控组件02；

低能电子源01安装于布控组件02上，布控组件02位于被沾污表面上方；

低能电子源01包括自由电子发射结构011、多级场致发射电子窗012和真空封装结构013；

自由电子发射结构011与多级场致发射电子窗012之间存在间隙；

所述真空封装结构013用于保证自由电子发射源011和场致发射电子窗012之间的间隙形成低气压环境；

被沾污表面，与低能电子源01之间，或者存在相对运动，或者相对静止；

自由电子发射结构011用于实现自由电子的发射；

多级场致发射电子窗012为导体或半导体材质基材，基材上设置有多个沉孔，所述基材本身为闭孔多孔结构或者至少局部为闭孔多孔结构；

至少在部分的闭孔孔洞中，设置有电场增强纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，所述沉孔截面积大于3平方微米。

在一个具体的可实施方式中，所述电场增强纳米结构为体积在10^-5～10立方微米量级的准零维纳米结构，或者是准一维纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，包括多个低能电子源01组成的低能电子源阵列；

每个低能电子源01均通过布控组件02固定连接及其与供电激励系统的电气连接。

在一个具体的可实施方式中，还包括电场调控功能结构03；

所述电场调控功能结构03包括一个或多个电极，用于调控各个工作区域以及被沾污表面附近区域的电场分布。

在一个具体的可实施方式中，所述一个或多个电极设置在所述被沾污表面周边，或者设置在被沾污表面内部，或者同时设置在被沾污表面周边和被沾污表面内部。

在一个具体的可实施方式中，所述电场调控功能结构部分或全部表面设置有一种或多种电场增强准零维纳米结构或准一维纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，所述准零维纳米结构为空心或者实心的球状、椭球状、多面体状、片状、分形结晶状和针状的颗粒。

在一个具体的可实施方式中，所述准一维纳米结构，为针状、柱状、棱台状、管状、线状、片状。

在一个具体的可实施方式中，所述被沾污表面设有“几”字形沟道供液态被沾污表面在其中流动。

在一个具体的可实施方式中，还包括结构化气氛控制组件04；

结构化气氛控制组件04包括气体输运管路041和气氛调控构型结构042；气体输运管路041设置于气氛调控构型结构042内部；

气氛调控构型结构042用于将低能电子源01与液态被沾污表面表面之间的空间分隔为至少一个工作区域；

气体输运管路041将各个工作区域与气氛控制系统连通；

所述气氛控制系统包括真空泵和臭氧催化分解装置，可在工作区域产生低气压状态。

在一个具体的可实施方式中，所述气氛控制系统在工作区域产生小于0.01MPa的低气压状态。

在一个具体的可实施方式中，自由电子源发射结构011、多级场致发射自由电子窗012和电场调控功能结构03表面，单层均布或随机堆叠设置平均体积在10^-6～10^-1立方微米量级的球状、椭球状、多面体状、碎片状、分形结晶状和针状颗粒。

在一个具体的可实施方式中，还包括采样管路，将工作区域与用于检测气体中颗粒物、化学成分和气压的仪器相连，以监控负压区状态和被沾污表面的消杀净化处理效果。

本发明的创新性体现在：第一，通过场发射过程将10kV以下低能自由电子引导透过固态结构。由于自由电子发射和加速通常需要高真空状态，而待清洁的物体工件通常处于常压、低真空甚或高气压状态，上述新型的透过固体的方法可形成固态电子窗，形成新型的污染物洁净处理器，核心在于，作用在污染物表面的电子束能量可调范围拓宽至更大的范围，可囊括低于10keV以下水平较低能量自由电子，也可同时囊括高于10keV的较高能量自由电子。第二，在被沾污表面所处的较常压、较高气体密度条件下，自由电子碰撞电离一方面会使得作用在被沾污表面的自由电子密度更高，但另一方面，碰撞过程会导致浓度梯度驱动的扩散过程破坏自由电子的空间分布可控性，降低处理效率。因此，本发明在常压部分的电场调制通过电极空间布局来构建电场，通过多元的、阵列化的电极系统不同的电压加载策略，调节电场分布，进而调控电子的能量密度分布，使其能够在常压状态下，以可调地、更趋适当的、优化的密度和温度状态，作用于特定的被沾污表面。第三，由于沾污机制的复杂性，导致相同物体在相同环境由于工况或运行条件不同，沾污相态、外形、化学性质等特性有很大差别，需要电子束能量密度分布有更好的可调控性，通过分以不同的电子能量分布状态，步骤地处理被沾污物体表面以及处理后的产物，可大大提高电子束洁净化处理的广谱性、适用性。

相较于现有技术，本发明取得的有益效果至少包括：

第一，本发明能够产生平均能量在10keV以下的电子束，可提高相同功率下电子束的分布范围，提高清洗能效，避免表面改性效应，在很多对表面状态要求高的领域中，事实上，具有首创性，使电子束表面洁净化成为可能。

第二，自由电子束流的产生、加速、聚焦，需要高真空、高电压系统功能，所需的能量越大，为防止击穿，构建电场的电极间距越大，装置结构尺寸越大；尺寸越大，形成真空环境所需辅助结构和真空系统越复杂；复杂、大型化又必然导致高成本和使用条件的复杂性。因此，当本发明用于产生较低能量的自由电子束，可大幅降低电子逸出和加速对结构尺度水平、电子光学系统复杂度和精度水平所提出的高要求，易于形成低间隙、低电压、低剖面、微小型化器件，从而不但易用、降低成本，而且能够通过分布化降低单位能流密度、有效抑制热效应。此外，在加速过程中还可降低与中性粒子碰撞所造成的束斑扰动，从而降低对真空度的要求。

第三，为高效、低损伤、低副产物水平地实现去除表面沾污，在很多情况下都并不需要传统的数百千电子伏较高能自由电子，但传统电子束技术由于电子窗力学和热稳定性对厚度的刚性要求，自由电子能量只有足够高，才有足够高的透过率、足够低的热损失、足够高的性能稳定性。因此，其电子能量通常在数百千电子伏甚至更高，其在待清洗物质表面可能造成剂量水平不可忽略的轫致辐射过程，形成具有破坏性的X射线等电离射线，并且极易造成待清洁物体自身的破坏和变性。因此，本发明降低自由电子的能量，或增大自由电子能量的可调范围，有利于降低其对环境的影响和对待处理物体的破坏。

第四，本发明由于可产生较低能量的自由电子，作用于物体表面沾污较稠密的气氛环境，由于进一步引入电场调控功能结构影响自由电子的能量转化过程，仍可有效调控自由电子的束斑。此外，还可充分利用电场的能量增殖作用在被沾污表面上的自由电子通量密度。

第五，多个可控参数可调的状况下，本发明可实现多种不同的电子能量分布状态，并通过时序上的调节，同时实现效果、能效、表面保护、副产物控制等多个目标的优化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种装置结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种装置结构示意图。

图4是本发明提供的一种气氛调控构型结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例提供一种消除表面沾污的方法。示例性地，该方法可以借助如图1所示的一种被沾污表面处理装置实现，但本发明并不对实现该方法需借助的装置结构进行特别限制。所述装置包括：低能电子源01、布控组件02和结构化气氛控制组件04；

低能电子源01安装于布控组件02上，布控组件02位于被沾污表面上方；

低能电子源01包括自由电子发射结构011、多级场致发射电子窗012和真空封装结构013；自由电子发射结构011与多级场致发射电子窗012之间存在间隙；真空封装结构013用于保证自由电子发射源011和场致发射电子窗012之间的间隙形成低气压环境；

被沾污表面，与低能电子源01之间，或者存在相对运动，或者相对静止；

自由电子发射结构011用于实现自由电子的发射；多级场致发射电子窗012为导体或半导体材质基材，基材上设置有多个沉孔，所述基材本身为闭孔多孔结构或者至少局部为闭孔多孔结构；至少在部分的闭孔孔洞中，设置有电场增强纳米结构。

结构化气氛控制组件04包括气体输运管路041和气氛调控构型结构042；气体输运管路041设置于气氛调控构型结构042内部；

气氛调控构型结构042用于将低能电子源01与液态被沾污表面表面之间的空间分隔为至少一个工作区域；气体输运管路041将各个工作区域与气氛控制系统(图中未示出)连通；气氛控制系统包括真空泵和臭氧催化分解装置，可在工作区域产生低气压状态。采样管路043将工作区域与检测设备(图中未示出)相连，共有三个采样点，分别通过三个采样气路与检测设备相连，能够同时检测电子束与被沾污表面相互作用过程中，被沾污表面周围气体化学成分、颗粒物和气压状态，监控负压区状态和被沾污表面的消杀净化处理效果。

所述方法包括如下步骤：

第一步，在表面设置有硅纳米线的高导硅阴极材料周围制造或保持约5×10^-3Pa的低气压环境、制造平均场强约2×10⁶V/m自由电子加速电场、制造平均场强约8×10⁴V/m的自由电子碰撞过程调制电场，在自由电子碰撞过程调制电场之中，保持被沾污表面所在的常压条件。在上述条件下，使阴极材料获取外部电路的焦耳热，作为场发射激励电路的阴极，在电场作用下，电子逸出阴极材料表面，进入低气压环境成为自由电子，调节自由电子加速电场的场强，经测算，自由电子被加速所获得的能量可在10～1000电子伏；

第二步，待洁净化处理的工件为表面沾染枯草芽孢培养液的不锈钢金属片，其所在的常压环境和自由电子加速电场所在的低气压环境交界处，为直径约1.3cm的圆形平板，最大厚度约为200微米，其中设置有每100平方微米10～20个硅基场致发射结构，处于大约0.1～1立方微米的空腔当中，每个场致发射结构均能获取并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到10⁹V/m及以上量级，能够产生场致电子发射过程，并且，较邻近电子源位置处的场致发射结构首先捕获自由电子并产生聚集，达到足够高的面密度，场强大于阈值而发射自由电子，这部分自由电子，能够至少部分地被较远离电子源位置处的其他场发射结构所捕获，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集场致发射过程，直至自由电子从低气压环境逸出到常压环境，进入自由电子碰撞过程调制电场，并与其中的气体分子相互作用产生碰撞电离过程，生成碰撞电离自由电子，

使阴极材料发射的自由电子及碰撞电离自由电子共同作用于所述的金属片表面，

通过控制布控组件(02)和被沾污表面中各个电极的空间布局和加载电压，调控自由电子碰撞过程调制电场的空间分布，进而调控其中的自由电子与被沾污表面周围气体分子的碰撞电离和激发过程，使自由电子增殖、扩大自由电子与金属片表面的接触面积、并同时降低自由电子的平均能量至5～15电子伏。

实施例二

如图2所示的一种消除表面沾染的装置，包括如下组件：低能电子源01，布控组件02，电场调控功能结构03，其中，

低能电子源01包括自由电子发射结构011，多级场致发射电子窗012，真空封装结构013，

自由电子发射结构011与多级场致发射电子窗012之间存在1mm间隙，该间隙通过开孔石英圆台保持，真空封装结构013为介电材料腔体和法兰板组装而成，直径约32毫米，通过机械泵和分子泵实现并保持自由电子发射源011和场致发射电子窗012之间的间隙形成1×10^-3Pa的低气压环境，

自由电子发射结构011，为螺旋状平面结构，能够将电路中的电能转化为焦耳热，产生热电子发射，

多级场致发射电子窗012为高导硅基材，直接与自由电子加速电场接触的区域为圆形，直径约12毫米，基材上设置有沉孔阵列，其密度约为每100平方微米4～5个，同时，基材本身为闭孔多孔结构，也就是从断面的显微成像看，基材包含有大量的微腔，同时，至少在70％～80％的闭孔孔洞微腔结构中，同时刻蚀形成了电场增强纳米结构，电场增强纳米结构为硅纳米线，长度约4～5微米，若干纳米线形成的簇，最尖锐处等效半径约为3纳米。

单个低能电子源01独立工作，通过布控组件02实现机械固定及其与供电激励系统的电气连接，布控组件02为氧化铝陶瓷材料，外部激励为单一极性的负高压，工作电压2千伏。

被沾污的样品为钴酸锂膜，厚度为1微米，设置于铂电极薄膜的表面，而铂电极薄膜设置在玻璃基片上，因此，在表面洁净化工艺中，电场调控功能结构03由铂电极薄膜组成，能够调控工作区域以及钴酸锂薄膜被沾污表面及内部的电场分布，同时使空气中的平均场强达到3×10⁵V/m量级。同时，铂电极是固态锂电池的功能部件，并不额外地增加电池的制造成本。

在外电场调节电子窗012与被沾污表面之间，设置结构化气氛控制组件04，为聚丙烯塑料，结构化气氛控制组件04由气体输运管路041和气氛调控构型结构042组成，气体输运管路041设置于气氛调控构型结构042的内部，气氛调控构型结构042将放电电极系统与被沾污表面之间的空间分隔为独立的工作区域，并具有较好的密封性，如图4所示，其作用是将自由电子与空气分子相互作用的有害气态副产物控制在尽量有限的空间，以快速全面处理。而在其内部设置气体输运管路041，将各个工作区域与气氛控制系统连通，气氛控制系统包括真空泵和臭氧催化分解装置，可在工作区域产生约0.01MPa的低气压状态，因此，能够利用结构特征，因势利导地将工作区域内有害副产物抽吸出相互作用空间，集中管控、无害化处理。

气氛调控构型结构042与被沾污表面之间封闭形成工作区域，通过气体输运管路041向工作区域通入氩气，同时启动真空泵抽真空，形成气压为10Pa的低气压氩气含量大于99％的工作气体状态。

设置采样管路043将工作区域与测试仪器相连，共有三个采样点，分别通过三个采样气路与检测设备相连，能够同时检测电子束与被沾污表面相互作用过程中，被沾污表面周围气体化学成分、颗粒物和气压状态，监控负压区状态和被沾污表面的消杀净化处理效果。

由于钴酸锂薄膜在真空磁控溅射沉积后，需要从真空腔取出，在万级净化、40％湿度条件下停留，表面会产生由氧气分子和水分子参与的化学反应，造成沾污物质出现在表面，其具体成分复杂，严重影响后续工艺效果。经上述洁净化处理后，工艺效果提升，具体表现为样品阻抗由于结合水平的提升，容性成分下降约35％。

实施例三

一种消除表面沾染的装置，包括如下组件：低能电子源01，布控组件02，电场调控功能结构03，其中，

低能电子源01包括自由电子发射结构011，多级场致发射电子窗012，真空封装结构013，

自由电子发射结构011与多级场致发射电子窗012之间存在约10mm间隙，该间隙通过开孔石英圆台保持，真空封装结构013为陶瓷腔体通过可伐合金与金属封装板焊接形成，直径约32毫米，通过吸气剂实现并保持自由电子发射源011和场致发射电子窗012之间的间隙形成低于1×10^-3Pa的低气压环境，

自由电子发射结构011，为几字形曲线状，在其表面设置有镍基准一维纳米结构，其单体的形貌为尖锐的针状，等效直径约30纳米，长度约15微米。自由电子发射结构011下部有加热器结构，能够将电路中的电能转化为焦耳热，并通过绝缘层传递热量至电子发射结构011，产生热电子发射，同时，将自由电子发射结构011接入外部电路的负高压，产生冷阴极场发射。

多级场致发射电子窗012为高导硅基材，直接与自由电子加速电场接触的区域为圆形，直径约12毫米。基材本身为闭孔多孔结构，或者至少局部为闭孔多孔结构，同时，至少在部分的闭孔孔洞中，设置有电场增强纳米结构，电场增强纳米结构为体积在约10^-3立方微米量级的准零维银纳米粒子结构。

如图3所示，4个低能电子源01组成低能电子源阵列协同工作，每个低能电子源01均通过布控组件02实现机械固定及其与供电激励系统的电气连接，布控组件02为印刷电路板复合材料，外部激励为单一极性的脉冲负高压，最高工作电压5千伏，脉宽约150纳秒。

电场调控功能结构03，包括4个设置在待处理样品以上的电极，处于待处理样品被沾污表面以上区域，能够调控电子束传播路径上空气中以及被沾污表面内部的电场分布，使四个低能电子源到被沾污表面之间区域的平均电场均能达到4×10⁵V/m量级。

电场调控功能结构03表面不同区域，分别设置有氧化钛纳米管准一维纳米结构其平均直径约为180纳米，壁厚约为5纳米，平均高度约为300纳米；以及氧化锌纳米棒准一维纳米结构，其平均直径约为100纳米，平均高度约为20微米，此外，氧化锌纳米棒外层包裹着硒化锌薄膜，厚度约1纳米，形成异质异构的结构，其界面处两种晶格的能级差，利于形成水合自由电子的逸出。

在外电场调节电子窗012与被沾污表面之间，设置结构化气氛控制组件04，为被沾污表面级聚丙烯塑料，结构化气氛控制组件04由气体输运管路041和气氛调控构型结构042组成，气体输运管路041设置于气氛调控构型结构042的内部，气氛调控构型结构042能够将放电电极系统与被沾污表面之间的空间分隔为若干分立的工作区域，并具有较好的密封性，其作用是将自由电子与空气分子相互作用的有害气态副产物控制在尽量有限的空间，以快速全面处理。而在其内部设置气体输运管路041，将各个工作区域与气氛控制系统连通，气氛控制系统包括真空泵和臭氧催化分解装置，可在工作区域产生约0.01MPa的低气压状态，因此，能够利用结构特征，因势利导地将工作区域内有害副产物抽吸出相互作用空间，集中管控、无害化处理。

待洁净化处理的工件为分散在3～4cm²面积上120～1200万群落数的干燥或液滴新冠RNA，其灭除速率>40×10⁴copies/s，并可实现100％的灭除效果。

实施例四

一种消除表面沾染的装置，除以下特征外，其余具体实施方式的特征与第二个实施例完全相同：

本实施例中，对各类不同构型和分布特征的准零维纳米结构和准一维纳米结构进行了建模计算，以期与第二个实施例中的实验状态进行对比，共包括三种具体情况：

第一种情况：

将平均体积在10^-6～10^-1立方微米量级的球状、椭球状、多面体状、碎片状、分形结晶状和针状颗粒，以最大和最小直径差异在1～10000之间的不均匀程度，设置在自由电子源发射结构011、多级场致发射自由电子窗012和电场调控功能结构03表面，或单层均布、或随机堆叠设置，当其为导体或半导体，考虑量子效应或仅考虑静电场守恒的泊松方程，经数值计算，其局部电场增强最大值均能达到10⁸V/m以上量级，因此均能达成与实验相似水平的电场调节效果。

第二种情况：

将平均直径1～1000纳米、平均长度5纳米～1毫米、长径比5～10⁶范围内的针状、柱状、棱台状、管状、线状、细长片状准一维纳米结构，以最大和最小直径差异在1～1000之间的不均匀程度，设置在自由电子源发射结构011、多级场致发射自由电子窗012和电场调控功能结构03表面，或单层均布、或任意2～3种不同结构堆叠，当其为导体或半导体，考虑量子效应或仅考虑静电场守恒的泊松方程，经数值计算，其局部电场增强最大值均能达到10⁸V/m以上量级，因此均能达成与实验相似水平的电场调节效果。

第三种情况：

在自由电子源发射结构011、多级场致发射自由电子窗012和电场调控功能结构03表面，或单层均布、或任意2～3种不同结构堆叠，设置准一维纳米结构，其具体特征与第二种情况相同，

在准一维纳米结构表面进一步设置准零维纳米结构，其具体特征与第一种情况相同。

经数值计算，其局部电场增强最大值均能达到10⁸V/m以上量级，因此均能达成与实验相似水平的电场调节效果。

因此，根据上述理论计算结合实验推断，所述的准零维纳米结构，可以选用空心的或者实心的球状、椭球状、多面体状、碎片状、分形结晶状和针状的颗粒状特征。

所述的准一维纳米结构，可以选用针状、柱状、棱台状、管状、线状、细长片状特征。

实施例五

一种消除表面沾染的装置，除以下特征外，其余具体实施方式的特征与第三个实施例完全相同：

在本实施例中，电场调控功能结构03仅设置于待处理表面以上的区域。

待处理的样品为表面在露天环境下放置21天后，经自然光照和风干条件干燥得到的玻璃片，其可见光透光率由原来的80％降低为74％。

处理过程分为六个阶段，第一个阶段为平均电子能量为50电子伏的特征状态，第二个阶段为平均电子能量为5电子伏的特征状态，第三个阶段为平均电子能量为10电子伏的特征状态，上述三个阶段重复两次，三个特征状态的处理时间分别为20秒、30秒、30秒，处理后，可见光透光率提高至78％，同时，没有发现明显的表面损伤。其中，特征状态用平均电子能量的大小来表征。

实施例六

一种消除表面沾染的装置，除以下特征外，其余具体实施方式的特征与第五个实施例完全相同：

在本实施例中，结构化气氛控制组件(04)将将低能电子源(01)与被沾污表面之间的空间分隔为两个分立的工作区域。

该策略不但可以通过重构装置结构实现，而且可通过模块化组装方便快捷地实现，增强本发明技术方案的适用范围。

待处理的样品为表面在露天环境下放置21天后，经自然光照和风干条件干燥得到的单晶硅太阳能电池片，其表面覆盖有透明的环氧树脂有机薄膜，其可见光透光率由原来的～81％降低为～72％。

处理过程分为六个阶段，第一个阶段为平均电子能量为10电子伏的特征状态，第二个阶段为平均电子能量为2电子伏的特征状态，第三个阶段为平均电子能量为20电子伏的特征状态，上述三个阶段重复两次，三个特征状态的处理时间分别为10秒、30秒、5秒，处理后，可见光透光率提高至76％，同时没有发现明显的表面损伤。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (25)

1.一种消除物体表面沾染的方法，其特征在于，包括：

发射自由电子；

生成自由电子加速电场，通过所述加速电场加速所发射的自由电子；

生成自由电子碰撞过程调制电场，通过所述调制电场控制部分自由电子与所述调制电场中的气体分子相互作用产生碰撞电离过程，生成碰撞电离自由电子；

控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子共同作用于被沾染表面，并使电子能量密度分布函数处于第一特征状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

还包括：

进一步控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子共同作用于被沾染表面，并使电子能量密度分布函数处于第二特征状态，所述的第二特征状态和第一特征状态不同。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子共同作用于被沾染表面，使电子能量密度分布函数在第一特征状态、第二特征状态间多次改变。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

还包括：

构造多个不同的电子能量密度分布函数的特征状态；

控制所述发射的自由电子和生成的碰撞电离自由电子多次共同作用于被沾染表面，每次使电子能量密度分布函数处于所述多个特征状态之一。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述发射自由电子的过程为：

制造并保持阴极材料周围的低气压环境形成低气压区；

施加所述加速电场使电子逸出阴极材料表面，进入低气压区成为自由电子。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

通过低气压区的所述加速电场调制所发射的自由电子的能量和通量，使所述自由电子逐层、逐级地以场发射形式进入被沾污表面所处的常压区。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

在常压区生成自由电子碰撞过程调制电场；

调节所述调制电场，通过自由电子与气体分子的碰撞电离使自由电子增殖并调控其能量。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

控制自有电子透过多级场致发射电子窗实现所述自由电子逐层、逐级地以场发射形式进入被沾污表面所处的常压区；

所述多级场致发射电子窗具有闭孔多孔结构，且至少在部分的闭孔孔洞中，设置有电场增强纳米结构。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

使所述自由电子逐层、逐级地以场发射形式进入被沾污表面所处的常压区的过程包括：

在常压区和低气压区的交界处，设置多个场致发射结构，每个场致发射结构均能获取并聚集自由电子，以及产生场致发射；

部分场致发射结构所发射的自由电子，能够至少部分地被其他场致发射结构所获取，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，直至自由电子从低气压区逸出到常压区，进入自由电子碰撞过程调制电场，并与其中的气体分子相互作用产生碰撞电离过程，生成碰撞电离自由电子。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

通过调节自由电子的平均自由程及其逸出低气压区的位置与被沾污表面表面之间的相对距离，调控自由电子与被沾污表面周围气体分子的碰撞电离和激发过程。

11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于：

还包括：

检测低气压区和常压区的气体中颗粒物、化学成分和气压；

监控低气压区状态和被沾污表面的消杀微生物或净化无生命的污染物处理效果。

12.一种被沾污表面处理装置，其特征在于，包括：

低能电子源(01)和布控组件(02)；

低能电子源(01)安装于布控组件(02)上，布控组件(02)位于被沾污表面上方；

低能电子源(01)包括自由电子发射结构(011)、多级场致发射电子窗(012)和真空封装结构(013)；

自由电子发射结构(011)与多级场致发射电子窗(012)之间存在间隙；

所述真空封装结构(013)用于保证自由电子发射源(011)和场致发射电子窗(012)之间的间隙形成低气压环境；

被沾污表面，与低能电子源(01)之间，或者存在相对运动，或者相对静止；

自由电子发射结构(011)用于实现自由电子的发射；

多级场致发射电子窗(012)为导体或半导体材质基材，基材上设置有多个沉孔，所述基材本身为闭孔多孔结构或者至少局部为闭孔多孔结构；

至少在部分的闭孔孔洞中，设置有电场增强纳米结构。

13.根据权利要求12所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述沉孔截面积大于3平方微米。

14.根据权利要求12所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述电场增强纳米结构为体积在10^-5～10立方微米量级的准零维纳米结构，或者是准一维纳米结构。

15.根据权利要求12所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

包括多个低能电子源(01)组成的低能电子源阵列；

每个低能电子源(01)均通过布控组件(02)固定连接及其与供电激励系统的电气连接。

16.根据权利要求12所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

还包括电场调控功能结构(03)；

所述电场调控功能结构(03)包括一个或多个电极，用于调控各个工作区域以及被沾污表面附近区域的电场分布。

17.根据权利要求16所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述一个或多个电极设置在所述被沾污表面周边，或者设置在被沾污表面内部，或者同时设置在被沾污表面周边和被沾污表面内部。

18.根据权利要求16所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述电场调控功能结构部分或全部表面设置有一种或多种电场增强准零维纳米结构或准一维纳米结构。

19.根据权利要求18所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述准零维纳米结构为空心或者实心的球状、椭球状、多面体状、片状、分形结晶状和针状的颗粒。

20.根据权利要求16所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述准一维纳米结构，为针状、柱状、棱台状、管状、线状、片状。

21.根据权利要求12所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述被沾污表面设有“几”字形沟道供液态被沾污表面在其中流动。

22.根据权利要求12-21任一项所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

还包括结构化气氛控制组件(04)；

结构化气氛控制组件(04)包括气体输运管路(041)和气氛调控构型结构(042)；气体输运管路(041)设置于气氛调控构型结构(042)内部；

气氛调控构型结构(042)用于将低能电子源(01)与液态被沾污表面表面之间的空间分隔为至少一个工作区域；

气体输运管路(041)将各个工作区域与气氛控制系统连通；

所述气氛控制系统包括真空泵和臭氧催化分解装置，可在工作区域产生低气压状态。

23.根据权利要求22所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

所述气氛控制系统在工作区域产生小于0.01MPa的低气压状态。

24.根据权利要求12-21任一项所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

自由电子源发射结构(011)、多级场致发射自由电子窗(012)和电场调控功能结构(03)表面，单层均布或随机堆叠设置平均体积在10^-6～10^-1立方微米量级的球状、椭球状、多面体状、碎片状、分形结晶状和针状颗粒。

25.根据权利要求12-21任一项所述的被沾污表面处理装置，其特征在于：

还包括采样管路，将工作区域与用于检测气体中颗粒物、化学成分和气压的仪器相连，以监控负压区状态和被沾污表面的消杀净化处理效果。

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