CN115734445A - 一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大气压辉光放电领域，涉及一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，包括为电源单元，内置高压尖电极、环形接地电极、电磁线圈的放电单元，气体单元，气控单元，磁控单元，盛放处理液体或者收集在放电单元中完成处理的气体产物的试品单元；高压尖电极的放电端为尖端，环形接地电极的环径向内侧预制轴向对称切角；在外筒内表面上设有磁芯，磁芯包括第一环形磁芯和第二环形磁芯。该装置通过大幅增加放电区域来提高低温等离子体中高能活性粒子产生效率，既可以利用某种特定介质气体的放电过程产生富含高能活性粒子用于后续液体的处理，也可以直接在气体单元中将待处理气体与介质气体按比例进行混合后直接在放电单元中完成处理。

Description

一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置及其实施方法

技术领域

本发明属于大气压辉光放电领域，具体涉及一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置及其实施方法。

背景技术

大气压下辉光放电，尤其在开放空气中的辉光放电不仅具有能量高、电子密度大、活性粒子丰富的特点，而且具有无须真空和可以实现批处理等优点，能够在开放空气中获取性能优良且低成本低温等离子体的大气压辉光放电具有巨大的工业应用前景。

由于空气中气体分子密度大，在放电过程中电子与气体分子的碰撞频率高，电子崩极易发展成流注，进而转变为电弧，所以稳定的大气压空气辉光放电不容易实现，而且空气中气体分子密度大使得空气中的辉光放电通道被束缚在一个很小的空间区域，而辉光放电在实际应用中一般都需要大体积弥散等离子体，尤其是在材料表面处理、生物活性提升、灭菌消毒、有害气体去除、污水降解等等方面，然而目前弥散大气压辉光放电仍然只能在几个毫米量级的电极间隙中产生，获取高能活性粒子效率低且分布区域小，严重制约了大气压辉光放电等离子的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置及其实施方法，解决了大气压辉光放电分布区域小的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，包括电源单元、磁控单元、试品单元，及依次连接的气体单元、气控单元和放电单元；

放电单元包括外筒、高压尖电极、环形接地电极和电磁线圈，外筒内为密闭的放电腔体；

高压尖电极的尖端贯穿于放电腔体中，另一端与电源单元连接；

环形接地电极设置在外筒的内表面上，在外筒外围横向设有电磁线圈，电磁线圈与磁控单元连接，磁控单元为电磁线圈提供电流；

高压尖电极的放电端为尖端，环形接地电极的环径向内侧预制有利于放电产生的轴向对称切角；

在外筒内表面上设有磁芯，磁芯包括第一环形磁芯和第二环形磁芯，对称布设于环形接地电极的两侧；

在安装高压尖电极的外筒一侧开有进气孔，在外筒另一侧开有出气孔，进气孔和出气孔为放电气体介质提供进出通道；

气体单元用于给放电单元提供目标气体，气控单元与进气孔连接；

试品单元和放电单元的出气孔连接。

进一步，进气孔包括位于上侧的上进气孔和位于下侧的下进气孔，出气孔包括位于上侧的上出气孔和位于下侧的下出气孔；

当目标气体在相同气压下密度大于空气时，上进气孔和下出气孔处于启用状态；

当目标气体在相同气压下密度小于空气时，下进气孔和上出气孔处于启用状态。

进一步，试品单元和放电单元的出气孔通过气管连接；

如果是目标气体在放电腔体中通过富含高能活性粒子的等离子体进行处理，则试品单元用于收集已处理的气体；

如果放电单元是用于获取高能活性粒子，则试品单元用于盛放待处理样品，高能活性粒子从放电单元的出气孔接入试品单元的待处理液体中。

进一步，外筒选用非导磁金属材料，在外筒外表面上包覆绝缘纸。

进一步，在外筒的一侧设有接线柱，环形接地电极通过接线柱接地，电源单元的接地端与接线柱连接。

进一步，气控单元包含气阀和流量计。

进一步，高压尖电极和环形接地电极的材料为黄铜。

进一步，磁芯为非金属磁芯材料。

进一步，高压尖电极和环形接地电极所形成的电极间隙空间电场方向为环形接地电极的径向，电流的主要分量是沿着电场方向的，而电极间隙空间磁场方向垂直于尖环平面，放电等离子体通道会在电磁力作用下在尖环形接地电极间隙中旋转；

在高压尖电极附近出现明亮的阳极辉光区，在环形接地电极内层附近出现明亮的阴极辉光层，放电等离子体受电磁力的作用，弥散分布在尖环间隙中。

本发明还公开了所述横向磁场调控大气压辉光放电的等离子体处理装置的实施方法，包括以下过程：

将电源单元的电压调至所需值，通过高压尖电极上的电压监测确定放电稳定形成后，调节磁控单元为电极间隙提供预设强度的横向磁场，放电通道在横向磁场力作用下旋转，旋转速度通过磁场强度的调节来控制，放电腔体内获得大气压辉光放电弥散等离子体；

打开气控单元，根据实际需求调节气体流速，目标处理气体从进气孔进入，出气孔流出，实现对气体的处理；

当处理液体时，气控单元控制放电氛围气体成分和流速，氛围气体通过放电单元后获得富含活性粒子的气体，从出气孔流出，通入到液体内，实现对目标液体的处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，包括电源单元、气体单元、气控单元、放电单元、磁控单元、试品单元，放电单元连接电源单元、气控单元、磁控单元、试品单元，电源单元为尖环形接地电极间隙提供强电场，气体单元给放电单元提供单一成分的气体，也可以根据需求将不同气体进行不同比例混合，磁控单元为放电单元的电磁线圈提供电流，可通过电压和电流的调节实现放电间隙横向电磁场强度的精确控制；通过电磁线圈和尖环间隙放电通道垂直的横向磁场，等离子体通道在电磁力作用下高速旋转，从而实现大气压辉光放电低温等离子体的大面积弥散分布，解决了大气压辉光放电等离子体被束缚在细丝通道中能量过于集中的问题。高压电极的尖端和环形接地电极的切角内棱是为了这些区域产生强电场，有利于放电的形成。通过调控磁控单元、电源单元以及电极尺寸改变等离子体通道的旋转速度，来改变大气压辉光放电等离子体的弥散程度。另外，放电单元在在电源单元、气控单元、磁控单元和试品单元的配合下，可以满足大气压辉光放电等离子体对某些气体、液体的处理需求；该装置可以实现放电气体介质成分、流速的控制，不但实现了放电腔体出气孔活性粒子的可控，用于液体中环境污染成分的降解处理，也可直接在放电腔体内实现有害气体的高效处理。

进一步，所述磁芯为磁导率高的非金属磁芯材料，磁芯为两个环状结构分布在环形接地电极两侧，磁芯具体包括第一环形磁芯和第二环形磁芯，用于减小电磁线圈产生电磁场的衰减，增强放电间隙所处空间的横向磁场强度。

进一步，试品单元和放电单元的出气孔通过气管连接，该单元在不同适用情况下作用不同，如果是混合气体在放电单元中直接通过富含高能活性粒子的等离子体进行处理，那么试品单元的作用是收集已处理的气体；如果放电单元是用于获取高能活性粒子，那么试品单元一般用于盛放待处理样品，高能活性粒子从放电单元的出气孔接入试品单元的待处理液体中实现污水处理、灭菌消毒或其它化学反应的催化等功能。

附图说明

图1是本发明提供的横向磁场调控的低温等离子体处理装置中各单元的连接原理框图；

图2是本发明提供的横向磁场调控尖环形接地电极间隙大气压辉光放电的放电单元的结构示意图；

图3是高压尖电极尖端和环形接地电极间隙中电场和磁场分布示意图；

图4是本发明实施例调控大气压空气辉光放电在内径30mm环形接地电极中获得弥散等离子体示意图；

其中：1、高压尖电极；2、左盖板；3、上进气孔；4、下进气孔；5、外筒；6、绝缘纸；7、第一环形磁芯；8、环形接地电极；9、第二环形磁芯；10、接线柱；11、右盖板；12、电磁线圈；13、下出气孔；14、上出气孔；15、电极间隙空间电场；16、电极间隙空间磁场；17、阳极辉光区；18、弥散放电等离子体；19、阴极辉光层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“横向”“左右”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，包括电源单元、磁控单元、试品单元，及依次连接的气体单元、气控单元、放电单元。放电单元分别与电源单元、气控单元、磁控单元、试品单元连接。

所述电源单元为尖环电极间隙提供强电场，电源单元可选用直流高压源串接限流电阻后接入高压尖电极1，也可选用快前沿重频脉冲高压源，也可选用高压谐振恒流源，电源单元的接地端与放电单元的接线柱10可靠连接。

所述气体单元可以给放电单元提供单一成分的气体，也可以根据需求将不同气体进行不同比例混合，既可以实现利用某种气体作为放电介质从放电单元的出气孔获取高能活性粒子接入试品单元，也可以将待处理气体按照处理需求混合后通入放电单元直接利用尖环放电间隙中弥散放电等离子体18进行处理。

所述气控单元包含气阀和流量计，流量计的精度根据实际处理需求选定。

如图2所示，所述放电单元为该发明的核心单元，包括外筒5、高压尖电极1、环形接地电极8、电磁线圈12，外筒5左侧设有左盖板2，右侧设有右盖板11，外筒5与左盖板2及右盖板11密封的腔体为密闭腔体，作为放电腔体。高压尖电极1一端贯穿左盖板2伸入在放电腔体中，另一端与电源单元连接；环形接地电极8紧密连接在外筒5的内表面上，通过接线柱10实现接地，提供辉光放电通道中的零电位；在外筒5外围设有电磁线圈12，电磁线圈12与磁控单元连接，在外筒5内表面上设有磁芯，磁芯布设于环形接地电极8的两侧；在左盖板2上开有进气孔，在右盖板11上开有出气孔，进气孔和出气孔为放电气体介质提供进出通道。

高压电极的尖端和环形接地电极8的切角内棱是为了这些区域产生强电场，有利于放电的形成。

高压尖电极1与电源单元导线连接，电源提供的高电压使得尖端附近获得强电场分布。

所述高压尖电极1选用导电性良好的黄铜材料，放电端为高曲率尖端用于产生高场强，连接电源高压端车有螺纹，便于高压引线的螺丝紧固，中间有和左盖板2紧配合的细螺纹用于保证腔体良好的密闭性以及放电尖端位置的可调节性。

所述环形接地电极8选用导电性良好的黄铜材料，径向环外侧具有用于固定和调节位置的螺纹，径向环内侧具有利于放电产生的轴向对称切角。所述环形接地电极8接地，提供辉光放电通道中的零电位。

所述左盖板2为绝缘材料，其上预制有用于进气螺旋和高压尖电极1紧配合螺纹，以及和外筒5之间的紧配合螺纹。

气体单元经气控单元与进气孔连通。进气孔包括位于左盖板2上侧的上进气孔3和位于左盖板2下侧的下进气孔4，出气孔包括位于右盖板11上侧的上出气孔14和位于右盖板11下侧的下出气孔13。其中上进气孔3和下出气孔13配合使用，下进气孔4和上出气孔14配合使用，当目标气体在相同气压下密度大于空气时选用上进气孔3和下出气孔13，当目标气体在相同气压下密度小于空气时选用下进气孔4和上出气孔14。

密闭腔体提供一个良好的密闭空间，保证放电气体介质成分的可控，不锈钢外筒5、左盖板2、右盖板11之间通过细螺纹配合紧固，由于放电腔体内气压和空气大气压基本保持相同，腔体内外基本没有压差，所以不需要密封圈，当对气体介质成分有严格控制要求时可利用生料带和密封胶对连接部位进行处理。

电磁线圈12为高压尖电极1和环形接地电极8之间的电场提供一个横向的垂直磁场，根据实际磁场强度大小需求和放电腔体尺寸确定电磁线圈12的宽度、厚度、选线等参数；所述电磁线圈12包含密绕漆包线，连接在电压可调的直流电源上，通过调节电压来控制磁场强度。

所述磁芯为磁导率高的非金属磁芯材料，磁芯为两个环状结构分布在环形接地电极8两侧，磁芯具体包括第一环形磁芯7和第二环形磁芯9，用于减小电磁线圈12产生电磁场的衰减，提升等离子通道的磁场强度，增强放电间隙所处空间的横向磁场强度。

所述的磁控单元为电磁线圈12提供电流，优选可灵敏调节电压和电流的直流电源，装置使用之前需利用高斯计对放电腔体内部磁场强度和电源的电压电流对应关系进行标定，放电时只需要通过电压和电流的调节实现放电间隙横向电磁场强度的精确控制。

所述的试品单元和放电单元的出气孔通过气管连接，该单元在不同适用情况下作用不同，如果是混合气体在放电单元中直接通过富含高能活性粒子的等离子体进行处理，那么试品单元的作用是收集已处理的气体；如果放电单元是用于获取高能活性粒子，那么试品单元一般用于盛放待处理样品，高能活性粒子从放电单元的出气孔接入试品单元的待处理液体中实现污水处理、灭菌消毒或其它化学反应的催化等功能。

在外筒5的外表面上包覆有绝缘纸6，用于保证外筒5和电磁线圈12之间的良好绝缘。

本发明提供的横向磁场调控大气压辉光放电的等离子体处理装置具体实施过程如下：

步骤一：根据处理需求选用合适的环形电极尺寸，调节好高压尖电极1和环形电极的位置，导线连接电源单元和高压尖电极1，导线连接电源输出地极和接线柱10并共同接至接地线；

步骤二：将电源的电压电流和磁场强度对应关系标定的磁控单元与电磁线圈12可靠连接；

步骤三：根据待通入放电单元的气体密度大小选定进气孔和出气孔，进气孔和气控单元连接好，出气孔与试品单元连接好，将不用的进气孔和出气孔阀门关闭；

步骤四：气体单元与气控单元连接好，根据实际需求确定好试品单元的内容；

步骤五：将电源单元的电压调至所需值，通过高压尖电极1上电压监测确定放电稳定形成后，调节磁控单元为电极间隙提供一定强度的横向磁场；

步骤六：打开气控单元开关，根据实际需求调节好气体流速，目标气体从进气孔进入，出气孔流出。

如图3所示，箭头指代尖电极和环形接地电极8之间的电极间隙空间电场15，叉指的是垂直于纸面方向的电极间隙空间磁场16。电场方向为环形接地电极8的径向，电流的主要分量是沿着电场方向的，而磁场方向垂直于尖环平面，也就是说磁场方向垂直于电流方向，那么放电等离子体通道会在电磁力作用下在尖环电极间隙中高速旋转。

如图4所示，在尖电极附近可以看到明亮的阳极辉光区17，在环形接地电极8内层附近可以看到明亮的阴极辉光层19，放电等离子体受电磁力的作用，弥散分布在尖环间隙中。

以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (10)

1.一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，包括电源单元、磁控单元、试品单元，及依次连接的气体单元、气控单元和放电单元；

放电单元包括外筒(5)、高压尖电极(1)、环形接地电极(8)和电磁线圈(12)，外筒(5)内为密闭的放电腔体；

高压尖电极(1)的尖端贯穿于放电腔体中，另一端与电源单元连接；

环形接地电极(8)设置在外筒(5)的内表面上，在外筒(5)外围横向设有电磁线圈(12)，电磁线圈(12)与磁控单元连接，磁控单元为电磁线圈(12)提供电流；

高压尖电极(1)的放电端为尖端，环形接地电极(8)的环径向内侧预制有利于放电产生的轴向对称切角；

在外筒(5)内表面上设有磁芯，磁芯包括第一环形磁芯(7)和第二环形磁芯(9)，对称布设于环形接地电极(8)的两侧；

在安装高压尖电极(1)的外筒(5)一侧开有进气孔，在外筒(5)另一侧开有出气孔，进气孔和出气孔为放电气体介质提供进出通道；

气体单元用于给放电单元提供目标气体，气控单元与进气孔连接；

试品单元和放电单元的出气孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，进气孔包括位于上侧的上进气孔(3)和位于下侧的下进气孔(4)，出气孔包括位于上侧的上出气孔(14)和位于下侧的下出气孔(13)；

当目标气体在相同气压下密度大于空气时，上进气孔(3)和下出气孔(13)处于启用状态；

当目标气体在相同气压下密度小于空气时，下进气孔(4)和上出气孔(14)处于启用状态。

3.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，试品单元和放电单元的出气孔通过气管连接；

如果是目标气体在放电腔体中通过富含高能活性粒子的等离子体进行处理，则试品单元用于收集已处理的气体；

如果放电单元是用于获取高能活性粒子，则试品单元用于盛放待处理样品，高能活性粒子从放电单元的出气孔接入试品单元的待处理液体中。

4.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，外筒(5)选用非导磁金属材料，在外筒(5)外表面上包覆有绝缘纸(6)。

5.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，在外筒(5)的一侧设有接线柱(10)，环形接地电极(8)通过接线柱(10)接地，电源单元的接地端与接线柱(10)连接。

6.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，气控单元包含气阀和流量计。

7.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，高压尖电极(1)和环形接地电极(8)的材料为黄铜。

8.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，磁芯为非金属磁芯材料。

9.根据权利要求1所述的一种横向磁场调控的低温等离子体处理装置，其特征在于，高压尖电极(1)和环形接地电极(8)所形成的电极间隙空间电场(15)方向为环形接地电极(8)的径向，电流的主要分量是沿着电场方向的，而电极间隙空间磁场(16)方向垂直于尖环平面，放电等离子体通道会在电磁力作用下在尖环形接地电极(8)间隙中旋转；

在高压尖电极(1)附近出现明亮的阳极辉光区(17)，在环形接地电极(8)内层附近出现明亮的阴极辉光层(19)，放电等离子体受电磁力的作用，弥散分布在尖环间隙中。

10.权利要求1-9任意一项所述横向磁场调控大气压辉光放电的等离子体处理装置的实施方法，其特征在于，包括以下过程：

将电源单元的电压调至所需值，通过高压尖电极(1)上的电压监测确定放电稳定形成后，调节磁控单元为电极间隙提供预设强度的横向磁场，放电通道在横向磁场力作用下旋转，旋转速度通过磁场强度的调节来控制，放电腔体内获得大气压辉光放电弥散等离子体；

打开气控单元，根据实际需求调节气体流速，目标处理气体从进气孔进入，出气孔流出，实现对气体的处理；

当处理液体时，气控单元控制放电氛围气体成分和流速，氛围气体通过放电单元后获得富含活性粒子的气体，从出气孔流出，通入到液体内，实现对目标液体的处理。

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