CN114269058A

CN114269058A - 一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置及方法

Info

Publication number: CN114269058A
Application number: CN202111414547.2A
Authority: CN
Inventors: 邓泽超; 武珈存; 贾鹏英; 李雪辰
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-11-25
Also published as: CN114269058B

Abstract

本发明提供了一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置及方法。该装置包括供气机构、矩形介质气道、棒电极、水槽和高压直流电源；矩形介质气道左端为进气口，右端为出气口；供气机构用于为矩形介质气道提供工作气体；棒电极和水槽以上下相对的方式设置在矩形介质气道出气口的右端，棒电极水平设置，且棒电极与矩形介质气道所在平面平行且相对；棒电极通过一镇流电阻与高压直流电源相连接；在水槽底部设有与地线相接的钨网。通过在棒电极上施加高压直流电压可以在矩形介质气道的右侧的水面上方产生一个大尺度片状等离子羽，是一种新的产生大尺度片状等离子体羽的方式。本发明适用于表面处理、废水净化、杀菌消毒、生物医疗等领域。

Description

一种在水面上产生大尺度片状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，具体地说是一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置及方法。

背景技术

脱离了真空装置的束缚，大气压等离子体由于具有产生大量活性粒子及较低操作成本的优点，因此在很多领域具有广泛的应用前景，如材料处理、废水净化、杀菌消毒、生物医疗等领域。

大尺度的均匀等离子体羽会大幅度提高工作效率、优化处理效果，具有更大的商业需求。利用介质阻挡放电(DBD)可以产生大尺度的放电，但由于其两侧介质的存在限制了介质的厚度在亚毫米至毫米量级，并不适用于不规则物体以及具有较大体积的物体的处理。等离子体射流可以在开放空间中产生等离子羽，可以用于复杂的三维物体的处理，但是其产生的等离子体羽横截面积较小，限制了等离子体射流用于大面积材料处理的工作效率。

对于提高等离子体羽的横截面积，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，其所产生的等离子体羽的最大横截面积为38mm²。等离子体羽的横截面积还是没有数量级的突破。

发明内容

本发明的目的就是提供一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置及方法，以解决现有技术中等离子体射流横截面积较小的问题。

本发明是这样实现的：一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，包括供气机构、矩形介质气道、棒电极、水槽和高压直流电源；所述矩形介质气道是通过两块石英板前后竖向放置、两块石英板上下两端通过双面胶粘接而形成，所述矩形介质气道的左端为进气口，右端为出气口；所述供气机构用于通过进气口为所述矩形介质气道提供工作气体；所述棒电极和所述水槽以上下相对的方式设置在所述矩形介质气道出气口的右端，所述棒电极水平设置，且所述棒电极与所述矩形介质气道所在平面平行且相对；所述棒电极通过一镇流电阻与所述高压直流电源相连接；在所述水槽底部设有与地线相接的钨网。

上述方案中，在所述水槽内盛满水，所述棒电极与所述水槽水面之间的距离等于所述矩形介质气道出气口的宽度。优选的，所述棒电极与所述水槽水面之间的距离为12mm。

优选的，所述水槽是直径为80mm的圆柱形筒体结构；所述棒电极的直径为3mm，长度为120mm。

上述方案中，所述供气机构包括储气罐以及供气管路；所述储气罐通过供气管路为矩形介质气道提供工作气体；在所述供气管路上设有气阀、气压表和流量计。

本发明采用上述装置在水面上产生大尺度片状等离子体羽的方法，包括如下步骤：

a、设置上述在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置；

b、由供气机构向矩形介质气道内通入工作气体，工作气体经矩形介质气道出气口喷出，所喷出的气体以纵向气流的方式充斥于棒电极与水槽水面之间；

c、打开高压直流电源的开关，向棒电极上施加高压正直流电压，便可在棒电极与水槽水面之间的竖直平面内产生大尺度片状等离子体羽。逐渐增加高压直流电源的输出功率，所产生的大尺度片状等离子体羽的亮度和尺度均增加。

增大高压直流电源的输出功率，使棒电极与水槽水面之间产生放电所耗散的功率为30W，此时在矩形介质气道下游水面上产生的大尺度片状等离子体羽长度约为5mm；继续增大高压直流电源的输出功率，使棒电极与水槽水面之间产生放电所耗散的功率为120W，则所产生的片状等离子体羽的长度达75mm。

本发明利用矩形介质气道使棒电极与水面之间的气隙中充满氩气，通过在棒电极上施加正直流电压，产生大尺度片状等离子体羽。之后逐渐增加高压直流电源的输出功率，使得大尺度片状等离子体羽的亮度和尺度均有增加。本发明产生的片状等离子羽在横截面积上实现了量级的突破，可达到超过10cm²，提高了处理速度和效率，适于应用在表面处理、废水净化、杀菌消毒、生物医疗等领域。

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及提高废水净化速率。

附图说明

图1是本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的结构示意图。

图2是本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率为30W时所产生的放电照片。

图3是本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率为120W时所产生的放电照片。

图4是本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率为30W时的外加电压和放电电流的波形图。

图5是本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率为120W时的外加电压和放电电流的波形图。

其中：1、储气罐；2、气阀；3、供气管路；4、气压表；5、流量计；6、矩形介质气道、7、镇流电阻；8、棒电极；9、水槽；10、钨网；11、高压直流电源。

具体实施方式

如图1所示，本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，包括供气机构、矩形介质气道6、镇流电阻7、棒电极8、水槽9、钨网10以及高压直流电源11。

供气机构包括储气罐1以及与储气罐1相接的供气管路3，在供气管路3上设有气阀2、气压表4和流量计5。供气机构用于向矩形介质气道6提供工作气体。

矩形介质气道6是由两块石英板通过双面胶粘接而形成，具体是：将两块长、宽分别为12mm、10mm的石英板竖直放置，且使石英板的短边呈水平方向，石英板的长边呈竖直方向，使两块石英板前后相对；采用具有一定厚度的双面胶粘接在两块石英板之间的上下两端，从而使得两块石英板之间具有一定的间隙，该间隙即构成矩形介质气道6，矩形介质气道6的左端为进气口，右端为出气口，上下两端通过双面胶封闭，前后两端分别是两块石英板板面。矩形介质气道6的长度即为石英板的短边长度(10mm)，矩形介质气道6的出气口的宽度为石英板的长边长度(12mm)。

矩形介质气道6的进气口通过供气管路3与储气罐1相接，储气罐1内所存储的工作气体可自供气管路3进入矩形介质气道6内，并由矩形介质气道6的出气口排出到大气中。在矩形介质气道6的出气口的右侧设置有棒电极8以及水槽9。棒电极8水平设置，其直径为3mm，长度为120mm，且棒电极8与石英板平行。通过棒电极8的竖直面(即棒电极8和其在水槽9表面投影两者所形成的平面)与矩形介质气道6所在竖直面大致处于同一平面。水槽9设置在棒电极8的下方，水槽9是直径为80mm的圆柱形筒体。水槽9与棒电极8上下相对，水槽9的直径小于棒电极8的长度，两者的中心上下相对。水槽9内盛满水，水槽9水面距棒电极8的距离为12mm，即：水槽9水面距棒电极8的距离与矩形介质气道6出气口的宽度相等。而且，棒电极8所在水平位置与矩形介质气道6出气口的上沿对齐，水槽9水面所在水平位置与矩形介质气道6出气口的下沿对齐。棒电极8与水槽9之间的区域即为由矩形介质气道6出气口排出的气体的下游区域。

在水槽9的底部设有钨网10，钨网10接地线。棒电极8通过一个50kΩ的镇流电阻7与高压直流电源11连接。

本发明采用图1所示装置在水面上产生大尺度片状等离子体羽的方法包括以下步骤：

1、首先打开气阀2，使储气罐1内的氩气通过供气管路3通入矩形介质气道6内，并由矩形介质气道6的出气口喷出，喷出的气体以纵向气流的形式进入棒电极8与水槽9之间的区域。该纵向气流所在平面与通过棒电极8的竖直面重合。

2、打开高压直流电源11的开关，向棒电极8上施加高压正直流电压，从而在棒电极8与水槽9水面之间的竖直平面(即通过棒电极8的竖直平面)内产生了大尺度片状等离子体羽，即：在气流下游水槽9水面上方与棒电极8相对的竖直面内产生大尺度片状等离子体羽。

3、逐渐增加高压直流电源11的输出功率，大尺度片状等离子体羽的亮度和尺度均有增加。

如图2所示，当本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率为30W时，矩形介质气道6下游水面上方会产生大尺度片状等离子体羽，此时片状等离子体羽的长度尚且较小，纵向高度为12mm，横向长度约为5mm。继续增大高压直流电源11的输出功率，使本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率达到120W时，大尺度片状等离子体羽长度增加，亮度也有所增加，如图3所示，此时其横向长度达到了75mm，片状等离子体羽的横截面积可达9cm²。本实施例中水槽9直径为80mm，若再增大水槽9直径，所产生的片状等离子体羽的横截面积可超过10cm²，这相比现有技术中的等离子体射流横截面积有了数量级的突破。

当高压直流电源11的输出功率使本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率从30W增加到120W时，连接示波器，利用示波器对棒电极8上施加的电压和流过电路的放电电流进行检测和记录，图4、图5分别为本发明在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率为30W、120W时对应的外加电压和放电电流的波形图。从图4、图5中可以看出尽管施加的是直流电压，在水面上产生大尺度片状等离子体羽仍具有脉冲特性。对比图4和图5，可以发现随着耗散功率的增加，放电周期变短，从而使得相同曝光下的片状等离子体羽的亮度增加。

本发明中在水面上产生大尺度片状等离子体羽装置的耗散功率具体是指棒电极8与水面间产生放电所需消耗的功率，此功率可使用高压探头测得棒电极8上的电压，再使用电流环测得通过棒电极8电路的电流，通过电压和电流(电压和电流可通过示波器进行显示)的乘积积分而获得。高压直流电源11的输出功率包括上述装置放电所需的耗散功率以及镇流电阻的耗散功率。

Claims

1.一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，其特征是，包括供气机构、矩形介质气道、棒电极、水槽和高压直流电源；所述矩形介质气道是通过两块石英板前后竖向放置、两块石英板上下两端通过双面胶粘接而形成，所述矩形介质气道的左端为进气口，右端为出气口；所述供气机构用于通过进气口为所述矩形介质气道提供工作气体；所述棒电极和所述水槽以上下相对的方式设置在所述矩形介质气道出气口的右端，所述棒电极水平设置，且所述棒电极与所述矩形介质气道所在平面平行且相对；所述棒电极通过一镇流电阻与所述高压直流电源相连接；在所述水槽底部设有与地线相接的钨网。

2.根据权利要求1所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，其特征是，在所述水槽内盛满水，所述棒电极与所述水槽水面之间的距离等于所述矩形介质气道出气口的宽度。

3.根据权利要求2所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，其特征是，所述棒电极与所述水槽水面之间的距离为12mm。

4.根据权利要求1所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，其特征是，所述水槽是直径为80mm的圆柱形筒体结构；所述棒电极的直径为3mm，长度为120mm。

5.根据权利要求1所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置，其特征是，所述供气机构包括储气罐以及供气管路；所述储气罐通过供气管路为矩形介质气道提供工作气体；在所述供气管路上设有气阀、气压表和流量计。

6.一种在水面上产生大尺度片状等离子体羽的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置权利要求1所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的装置；

c、打开高压直流电源的开关，向棒电极上施加高压正直流电压，便可在棒电极与水槽水面之间的竖直平面内产生大尺度片状等离子体羽。

7.根据权利要求6所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的方法，其特征是，步骤c中，逐渐增加高压直流电源的输出功率，所产生的大尺度片状等离子体羽的亮度和尺度均增加。

8.根据权利要求6或7所述的在水面上产生大尺度片状等离子体羽的方法，其特征是，增大高压直流电源的输出功率，使棒电极与水槽水面之间产生放电所耗散的功率为120W，则所产生的片状等离子体羽的长度达75mm。