CN114189971A - 一种介质阻挡放电的时空控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种介质阻挡放电的时空控制装置及方法，控制装置包括飞秒脉冲激光器、聚焦透镜、高压电源、圆盘电极、针状电极、阻挡介质、光束截止器；所述飞秒脉冲激光器、聚焦透镜、圆盘电极、阻挡介质、针状电极、光束截止器依次设置，高压电源的正、负极分别与圆盘电极和针状电极相连，所述圆盘电极与阻挡介质紧贴设置，阻挡介质为圆锥体结构且圆锥底面直径与圆盘电极的直径相同，阻挡介质具有透光性且中部设有圆形凹槽；圆盘电极中部设有圆孔，圆盘电极和针状电极之间存在间隙。
Description
技术领域
本发明涉及高压电领域和激光领域，具体是一种介质阻挡放电的时空控制装置及方法。
背景技术
介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质阻挡放电可以在大气压条件下产生低温等离子体，而等离子体又具有导电、杀菌等特性，所以在医学、环保、材料表面处理等方面具有广泛的应用前景[1]。在医学领域，介质阻挡放电等离子体灭菌具有低温、快速、无残留毒性、适用范围广等优势[2]，在癌症治疗方面也具有很好的应用前景。在环保方面，介质阻挡放电可以在大气压条件下实现强电离放电，可将放电能量直接作用于有害气体，具有很好的发展潜力[3]。在材料表面处理方面，等离子体表面处理具有处理时间短、效率高、节能环保、适用范围广等优势[4]。
介质阻挡放电利用高压电场电离击穿气体来产生等离子体，其放电时间、放电位置和放电形状受电压幅值、电极间距、电极形状、阻挡介质、气体成分等多种因素的影响[2]，具有很大的随机性，所以很难对放电等离子体的时空进行精确控制，给应用带来一定的困难。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对介质阻挡放电的放电时空随机性问题，提供一种介质阻挡放电的时空控制装置及方法，以实现对介质阻挡放电的放电时间、放电位置和放电形状的控制。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种介质阻挡放电的时空控制装置，包括飞秒脉冲激光器、聚焦透镜、高压电源、圆盘电极、针状电极、阻挡介质、光束截止器；所述飞秒脉冲激光器、聚焦透镜、圆盘电极、阻挡介质、针状电极、光束截止器依次设置，高压电源的正、负极分别与圆盘电极和针状电极相连，所述圆盘电极与阻挡介质紧贴设置，阻挡介质为圆锥体结构且圆锥底面直径与圆盘电极的直径相同，阻挡介质具有透光性且中部设有圆形凹槽；圆盘电极的中部设有圆孔，圆盘电极和针状电极之间存在间隙。
本发明还提供一种介质阻挡放电的时空控制方法，包括以下内容：
控制飞秒脉冲激光器产生的飞秒脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，在焦点附近形成飞秒光丝，产生等离子体通道；
飞秒光丝位于圆盘电极和针状电极之间存在的间隙内，对圆盘电极和针状电极之间的放电具有诱导作用，使放电沿着飞秒光丝形成的等离子体通道发生；
阻挡介质限制带电粒子在圆盘电极和针状电极之间的运动，防止形成火花放电或弧光放电；由于阻挡介质和针状电极都具有尖端，飞秒光丝形成的等离子体通道也位于尖端位置，使介质阻挡放电在尖端位置发生，实现对放电位置的控制；飞秒光丝形成的等离子体通道的形状为直线形，介质阻挡放电过程会沿着等离子体通道的路径发生，实现对放电形状的控制；由于飞秒脉冲激光的输出时间可控，通过控制飞秒脉冲激光的输出时间能够控制等离子体通道的形成时间，实现对放电时间的控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)放电时间可控：飞秒光丝形成的等离子体通道对介质阻挡放电过程具有诱导作用，通过控制飞秒脉冲激光的输出时间可以控制介质阻挡放电的发生时间。
(2)放电位置可控：阻挡介质和针状电极都具有尖端，飞秒光丝形成的等离子体通道也位于尖端位置，使介质阻挡放电更容易在尖端位置发生，从而实现了对放电位置的控制。
(3)放电形状可控：飞秒光丝形成的等离子体通道的形状为直线形，介质阻挡放电过程会沿着等离子体通道的路径发生，从而实现了对放电形状的控制。
(4)放电阈值降低：飞秒光丝形成的等离子体通道的电阻相对于周围气体的电阻要小，所以放电所需的电压阈值更低。
(5)放电距离延长：飞秒光丝形成的等离子体通道的电阻相对于普通气体的电阻要小，所以在相同的电压下，本发明的放电距离更长。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
图2为阻挡介质的示意图。
附图标记：1-飞秒脉冲激光器，2-聚焦透镜，3-高压电源，4-圆盘电极，5-针状电极，6-阻挡介质，7-光束截止器
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
如图1和图2所示，本发明提供一种介质阻挡放电的时空控制装置，包括飞秒脉冲激光器1、聚焦透镜2、高压电源3、圆盘电极4、针状电极5、阻挡介质6；飞秒脉冲激光器1、聚焦透镜2、圆盘电极4、阻挡介质6、针状电极5依次设置，高压电源3的正、负极分别与圆盘电极4和针状电极5相连，作用是提供放电所需的高压电能；圆盘电极4与阻挡介质6紧贴设置，飞秒脉冲激光器的作用是产生飞秒脉冲激光。聚焦透镜位于飞秒脉冲激光的路径上，其作用是将飞秒脉冲激光聚焦形成飞秒光丝，形成弱等离子体通道；
阻挡介质6为圆锥体结构，目的是为了让电荷聚集在尖端，从而更容易放电；阻挡介质6的圆锥底面直径与圆盘电极的直径相同，阻挡介质6中部设有圆形凹槽，且具有良好的透光性，可以让飞秒激光穿过；圆盘电极中间开有小孔，让飞秒激光从小孔中穿过，而针状电极的针尖则靠近飞秒光丝。两个电极的作用是形成高压电场，电离气体形成等离子体。本实施例中阻挡介质的锥尖到锥底之间设有圆形凹槽，但未完全贯穿，目的是在减少电极之间阻挡介质厚度的同时，限制带电粒子的运动，防止形成火花放电或弧光放电。
具体的，通过上述装置实现介质阻挡放电的时空控制方法按照以下步骤进行：
飞秒脉冲激光器产生的飞秒脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，在焦点附近形成飞秒光丝，产生微弱的等离子体通道。高压电源的正负极分别与圆盘电极和针状电极相连，为放电电极提供高压电能。圆盘电极和针状电极之间存在一定的间隙，飞秒光丝就位于间隙内，对电极之间的放电具有诱导作用，使放电沿着飞秒光丝形成的等离子体通道发生。阻挡介质与圆盘电极紧贴，限制带电粒子在两电极之间的运动，防止形成火花放电或弧光放电。阻挡介质和针状电极都具有尖端，尖端位置容易聚集电荷，飞秒光丝形成的等离子体通道也位于尖端位置，使介质阻挡放电更容易在尖端位置发生，从而实现对放电位置的控制。
由于等离子体通道的电阻相对于周围气体的电阻要小，放电更容易沿着直线形的等离子体通道发生，因此飞秒光丝形成的等离子体通道的形状为直线形，介质阻挡放电过程会沿着等离子体通道的路径发生，从而实现对放电形状的控制。
飞秒脉冲激光器输出固定频率的飞秒脉冲激光，经聚焦透镜聚焦后形成的等离子体通道也以相应的频率出现。由于等离子体通道对介质阻挡放电过程具有诱导作用，放电过程更容易在存在等离子体通道时发生，所以实现了对介质阻挡放电的放电时间控制，即放电随着飞秒激光出现的时间发生。
本发明利用尖端放电的原理，将阻挡介质制作成圆锥形，使大量电荷聚集在尖端位置；再利用飞秒脉冲激光成丝产生的弱等离子体通道，来引导阻挡介质尖端聚集的电荷，完成放电过程，该设计可以使放电在特定的时间沿着特定的空间路径发生，从而实现对放电等离子体时空的精确控制。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种介质阻挡放电的时空控制装置，其特征在于，包括飞秒脉冲激光器、聚焦透镜、高压电源、圆盘电极、针状电极、阻挡介质、光束截止器；所述飞秒脉冲激光器、聚焦透镜、圆盘电极、阻挡介质、针状电极、光束截止器依次设置，高压电源的正、负极分别与圆盘电极和针状电极相连，所述圆盘电极与阻挡介质紧贴设置，阻挡介质为圆锥体结构且圆锥底面直径与圆盘电极的直径相同，阻挡介质具有透光性且中部设有圆形凹槽；圆盘电极中部设有圆孔，圆盘电极和针状电极之间存在间隙。
2.一种介质阻挡放电的时空控制方法，基于权利要求1所述介质阻挡放电的时空控制装置，其特征在于，包括以下内容：
控制飞秒脉冲激光器产生的飞秒脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，在焦点附近形成飞秒光丝，产生等离子体通道；
飞秒光丝位于圆盘电极和针状电极之间存在的间隙内，对圆盘电极和针状电极之间的放电具有诱导作用，使放电沿着飞秒光丝形成的等离子体通道发生；
阻挡介质限制带电粒子在圆盘电极和针状电极之间的运动，防止形成火花放电或弧光放电；由于阻挡介质和针状电极都具有尖端，飞秒光丝形成的等离子体通道也位于尖端位置，使介质阻挡放电在尖端位置发生，实现对放电位置的控制；飞秒光丝形成的等离子体通道的形状为直线形，介质阻挡放电过程会沿着等离子体通道的路径发生，实现对放电形状的控制；由于飞秒脉冲激光的输出时间可控，通过控制飞秒脉冲激光的输出时间能够控制等离子体通道的形成时间，实现对放电时间的控制。
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