CN117062293A - 一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的方法及装置，属于大气压放电等离子体发生方法领域，包括电晕(流光)放电和介质阻挡放电两种放电形式。利用短波长紫外光源辐射紫外光到具有低逸出功的金属阴极材料上，在大气压条件下诱发光电效应的生成，并在阴极材料表面逸出光电子，为放电提供初始种子电子；同时该装置可以确保紫外光作用下持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流，将光能转化为电能，提高电极之间的电子密度和能量分布，促进大气压放电等离子体的形成，并提高大气压放电等离子体强度，增加大气压放电等离子体生成高能电子和活性物质的数量。本发明具有结构简单、尺寸小、易于规模化、装置运行成本较低等优点，同时还能提高大气压放电等离子体的均匀性和稳定性，有效避免火花放电的发生。
Description
技术领域
本发明属于大气压放电等离子体发生方法领域，涉及一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的方法及装置，用于提高大气压放电等离子体强度，增加大气压放电等离子体生成高能电子和活性物质的数量，为大气压放电等离子体在气态环境污染物降解及能源转化等领域应用提供参考。
背景技术
大气压放电等离子体富含高能电子、离子、自由基、激发态粒子等活性物种，且具有操作便捷、即用即产、适用范围广及环境友好等优点，在环境污染治理、能源转化、材料表面改性和生物医疗等领域呈现较好的应用前景。电晕(流光)放电和介质阻挡放电作为目前产生大气压放电等离子体两种典型的放电形式，受到研究学者的广泛关注。电晕(流光)放电等离子体是在针-板、线-板(筒)等非均匀电场的电极结构上施加直流高压、交流高压或者脉冲高压产生的放电等离子体，具有电极间距大、气体阻力小、处理气体流量大、等离子体状态稳定等优点，在静电除尘、VOCs废气治理等空气净化领域具有显著的优势。介质阻挡放电等离子体指在两个金属电极之间放置绝缘介质层(或者绝缘介质颗粒)，施加交流高压或者脉冲高压产生稳定放电等离子体，相比于电晕(流光)放电，介质存在使放电区域折合电场强度(E/n)提高，同时抑制了放电向火花放电或弧光放电转变，提高了放电的稳定性，在气态污染物治理、温室气体转化及臭氧生成等领域具有显著的优势。然而，在气态环境污染物降解及能源转化等应用过程中，其降解效率、转化率以及能量效率仍有待进一步提升。考虑到高能电子数量和能量在大气压放电等离子体中扮演关键角色，因此，如何增加大气压放电等离子体中高能电子的数量和能量，从而加强大气压放电等离子体的强度是亟需解决的关键问题。
近年来，研究学者主要从激励电源及等离子体发生方法等角度入手，致力于提升大气压放电等离子体中高能电子的性能。在激励电源方面，主要采用高压纳秒脉冲电源来激励等离子体，以提高电子的能量和能量效率。而在等离子体发生方法方面，常采用场致发射、光致发射以及气体放电等预电离方法，以产生种子电子来促进气体的击穿放电，从而增加大气压放电等离子体中的种子电子数量，提升平均电子能量、高能电子能量以及数密度，最终增强大气压放电等离子体的强度。在这些方法中，光致发射是一种关键技术，它通过照射物质表面，使得原子或分子中的电子吸收光子能量并跃迁到较高能级。如果电子在高能级状态下的能量超过了材料表面的逸出功，它就能逸出材料表面成为光电子。这些光电子可以充当种子电子的角色，在气隙空间内促进放电的发生。
中国发明专利(CN 102215626 B)公开了一种可在较低电压条件下产生放电等离子体的装置，该发明通过预电离透明密闭容器中的惰性气体，使之气体放电并产生紫外辐射光，诱导主放电空间产生一定浓度的种子电子。中国发明专利(CN 115483595 A)公开了一种基于紫外发光源的预电离装置，该发明利用紫外光使放电区域的气体电离并释放出电子，从而改变放电区的电离度，有利于形成放电。中国发明专利(CN 102904162 A)公开了一种基于紫外预电离技术的多通道气体火花开关，利用针电极与相邻的主电极的放电辐射紫外光产生光电离，诱导主放电间隙中生成种子电子，促进形成多通道放电。然而，上述三种方法采用的技术均是借助紫外光辐射诱发空间气体形成光电离，紫外光在空气中的电离阈值相对较高，导致产生种子电子难度较大且数量有限。中国实用新型专利(CN 207719586U)公开了一种紫外灯照射的场畸变型高压气体开关，借助紫外灯辐射引起空间光电离和主电极材料逸出自由电子，为开关的导通提供种子电子，降低触发脉冲的幅值。中国发明专利(CN 106206239B)公开了一种高效组合式大气压电离源，通过真空紫外灯发出光照射到高压电极表面来产生种子电子，实现在低电压下的气体放电。然而，上述两种方法针对的技术问题是如何降低起始放电电压，事实上降低放电的起始电压只能说明放电的阈值降低，并不能说明电子能量和电子密度增加，也不能反映大气压放电等离子体的强度的提高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，依据光致发射原理，本发明提出了一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的方法及装置。目的是通过短波长紫外光辐射具有低逸出功的金属阴极材料，在大气压条件下诱发光电效应生成，并在阴极材料表面释放光电子作为种子电子，增加放电初始种子电子数量；同时确保紫外光作用下持续逸出的光电子在电场的作用下从阴极向阳极迁移形成光电流，从而将光能转化为电能，提高阴极和阳极之间的电子密度和能量分布，从而促进大气压放电等离子体的形成，并提高大气压放电等离子体强度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的方法，所述方法通过短波长紫外光辐射具有低逸出功的金属阴极材料，在大气压条件下诱发光电效应生成，并在阴极材料表面释放光电子作为种子电子，增加放电初始种子电子数量；同时紫外光作用下持续逸出的光电子在电场的作用下从阴极向阳极迁移形成光电流，将光能转化为电能，提高阴极和阳极之间的电子密度和能量分布，促进大气压放电等离子体的形成，提高大气压放电等离子体强度。
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，所述的装置主要由低逸出功金属材料圆筒4和其内部的短波长紫外灯9、阳极电极结构组成，其中，阳极电极结构布置在短波长紫外灯9外围并与高压电源相连，低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并与地极相连，该装置根据在低逸出功金属材料圆筒4和阳极电极结构之间是否存在电介质材料分为大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统和大气压介质阻挡放电等离子体发生系统两种形式。具体如下：
所述的大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统，根据阳极电极结构主要分为以下两种：
第一种是：大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统采用多针-筒电晕(流光)放电结构，包括金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3、低逸出功金属材料圆筒4、短波长紫外灯9。所述的金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3构成阳极电极结构并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连(图1)；所述的金属针1装配在金属针固定件2上；所述的金属针固定件2为环状结构，其内径和金属透光网筒3的外径紧密配合，厚度略大于金属针1的直径，两个金属针固定件2之间预留一定间隙以允许紫外光通过；所述的短波长紫外灯9布置于金属透光网筒3内，短波长紫外灯9辐射的紫外光透过金属透光网筒3的网孔后，可从金属针固定件2之间预留的间隙照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3构成的阳极可采用正极性高压直流源、正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属针1和阴极的低逸出功材料金属圆筒4内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流。
第二种是：大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统采用多线-筒电晕(流光)放电结构，包括低逸出功金属材料圆筒4、金属线5、金属线固定件6、短波长紫外灯9。所述的金属线5构成阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连(图2)；所述的金属线5通过两个分布在低逸出功金属材料圆筒4两端的金属线固定件6固定并拉直；所述的短波长紫外灯9布置于金属线5围成的空间内，短波长紫外灯9辐射的紫外光直接照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属线5和金属线固定件6构成的阳极可采用正极性高压直流源、正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属针1和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流。
所述的大气压介质阻挡放电等离子体发生系统，根据阳极电极结构主要分为以下两种：
第三种是：所述的大气压介质阻挡放电等离子体发生系统采用多针-筒介质阻挡放电结构，包括金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3、低逸出功金属材料圆筒4、金属针套管7、短波长紫外灯9。所述的金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3构成阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连(图3)；所述的金属针1与金属针套管7紧密配合，且金属针1完全内嵌入金属针套管7中，并确保金属针1针尖端被完全包裹；所述的金属针套管7在金属针1和低逸出功金属材料圆筒4之间作为介质阻挡放电系统中的电介质材料；所述的金属针1装配在金属针固定件2上，所述的金属针固定件2为环状结构，其内径和金属透光网筒3的外径紧密配合，厚度略大于金属针1的直径，两个金属针固定件2之间预留一定间隙以允许紫外光通过；所述的短波长紫外灯9布置于金属透光网筒3内，短波长紫外灯9辐射的紫外光透过金属透光网筒3的网孔后，可从金属针固定件2之间预留的间隙照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3构成的阳极可采用正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属针1和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流。
第四种是：所述的大气压介质阻挡放电等离子体发生系统采用网筒-筒介质阻挡放电结构，包括金属透光网筒3、低逸出功金属材料圆筒4、电介质管8、短波长紫外灯9。所述的金属透光网筒3作为阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连(图4)；所述的电介质管8在金属透光网筒3和低逸出功金属材料圆筒4之间作为介质阻挡放电系统中的电介质材料；所述的电介质管8内壁面与金属透光网筒3外壁面紧密配合；所述的短波长紫外灯9布置于金属透光网筒3内，短波长紫外灯9辐射的紫外光依次透过金属透光网筒3、电介质管8照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属透光网筒3构成的阳极可采用正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属透光网筒3和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流。
进一步的，所述的第一种、第二种、第三种、第四种结构中：
所述的短波长紫外灯9与低逸出功金属材料圆筒4内壁之间的距离范围是0mm-200mm之间可调；所述的低逸出功金属材料圆筒4在实验中仅充当金属阴极，其金属材质包括锌、铁、铜等，且其壁厚可以从几毫米到几厘米甚至更厚可调。
所述的短波长紫外灯9波长范围是100nm-300nm之间可调，且其波长对应的电子伏需要大于低逸出功金属材料圆筒4的金属材料逸出功，确保所述的短波长紫外灯9辐射的紫外光照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁可持续产生光电子，且要求这部分光电子在电场作用下可形成光电流，光电流的方向是自阴极迁移向阳极。
进一步的，所述的第一种、第三种、第四种结构中，金属透光网筒3包含可确保透光量充足的金属材料，如可用金属网等替代。
进一步的，所述的第一种和第三种结构中：
所述的金属针1可由金属尖端螺丝、金属芒刺等替代；所述的金属针1长度范围是1mm-50mm之间可调，针尖直径范围是0-50mm之间可调，可通过改变金属针1的长度改变放电间隙。
所述的金属透光网筒3上在确保透光量充足的基础上可紧密配合多个金属针固定件2，每个金属针固定件2上也可以固定多个金属针1；所述的金属针固定件2仅用于固定金属针1及导电。
进一步的，所述的第一种结构中，金属针1针尖与低逸出功金属材料圆筒4内壁之间的气体放电间隙范围是10mm-100mm之间可调；所述第二种结构中，金属线5与低逸出功金属材料圆筒4内壁之间的气体放电间隙范围是10mm-100mm之间可调；所述的第三种结构中，金属针套管7与低逸出功金属材料圆筒4内壁之间的气体放电间隙范围是0mm-30mm之间可调；所述第四种结构中，电介质管8与低逸出功金属材料圆筒4内壁之间的气体放电间隙范围是0mm-30mm之间可调。
进一步的，所述的第二种结构中，所述的金属线5可用金属棒、螺纹棒等替代；所述的金属线固定件6由尼龙、聚四氟乙烯等绝缘材质制成，仅用于固定金属线5。
进一步的，所述的第三种结构中，金属针套管7的壁厚范围是1mm-3mm之间可调，且套管尖端直径范围是0-50mm之间可调；所述的金属针套管7由绝缘性较好的电介质材料制成，可包括陶瓷、玻璃、石英、聚四氟乙烯等。
进一步的，所述的第四种结构中，电介质管8由玻璃或者石英等对紫外光透过率较好且绝缘性较好的电介质材料制成，厚度范围是1mm-3mm之间可调，长度要大于不锈钢透光筒3，并确保上下部分均多出10mm以上，防止放电沿着电介质管8边缘传播。
进一步的，所述的第四种结构中，电介质管8作为介质材料需靠近或者贴合阳极，以确保产生的光电子在电场的作用下可以在放电间隙内迁移，从而为整个放电间隙提供初始种子电子。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明在大气压电晕(流光)放电等离子体和介质阻挡放电等离子体系统中，利用短波长紫外光源辐射具有低逸出功的金属阴极材料圆筒内壁上，在大气压条件下诱发光电效应生成，且在金属阴极材料表面持续逸出光电子，增加放电初始种子电子数量；同时该系统可以确保紫外光作用下持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流，将光能转化为电能，提高电极之间的电子密度和能量分布，从而促进大气压放电等离子体的形成，并提高大气压放电等离子体强度，增加大气压放电等离子体生成高能电子和活性物质的数量，为大气压放电等离子体在气态环境污染物降解及能源转化等领域应用提供参考。
(2)本发明具有结构简单、尺寸小、易于规模化、装置运行成本较低等优点。同时，该装置还能提高大气压放电等离子体的均匀性和稳定性，有效避免火花放电的发生。
附图说明
图1是实施例1多针-筒电晕(流光)放电等离子体装置示意图；
图2是实施例2多线-筒电晕(流光)放电等离子体装置示意图；
图3是实施例3多针-筒介质阻挡放电等离子体装置示意图；
图4是实施例4网筒-筒介质阻挡放电等离子体装置示意图；
图5是实施例1紫外光辐射对多针-筒放电系统中电极之间产生光电流的影响图；
图6是实施例1紫外光辐射对多针-筒脉冲电晕(流光)放电等离子体放电电流的影响图；
图中：1金属针；2金属针固定件；3金属透光网筒；4低逸出功金属材料圆筒；5金属线；6金属线固定件；7金属针套管；8电介质管；9短波长紫外灯。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，实际上，可以是多针(线)-筒电晕(流光)放电，也可以是多针-筒介质阻挡放电以及网筒-筒介质阻挡放电，但不论是哪种放电方式、无论是哪种阳极电极结构，紫外光在放电系统中发挥的作用一致，均是利用短波长紫外光源辐射具有低逸出功的金属阴极材料上，在大气压条件下诱发光电效应的生成，从而在阴极材料表面持续逸出光电子，增加放电初始种子电子数量，并形成自阴极向阳极迁移的光电流，增强大气压放电等离子体强度。具体实施例如下：
实施例1(如图1所示)
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置的实施例，如图1所示选取多针-筒电晕(流光)放电等离子体系统作为应用对象，该装置包括金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3、低逸出功金属材料圆筒4、短波长紫外灯9。所述的金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3构成阳极电极结构并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连，大气压放电等离子体在阳极的金属针1和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成；所述的金属针1装配在金属针固定件2上；所述的金属针固定件2为环状结构，其内径和金属透光网筒3的外径紧密配合，厚度略大于金属针1的直径，两个金属针固定件2之间预留一定间隙以允许紫外光通过；所述的短波长紫外灯9布置于金属透光网筒3内，短波长紫外灯9辐射的紫外光透过金属透光网筒3的网孔后，可从金属针固定件2之间预留的间隙照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子，同时持续逸出的光电子在外加电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流，从而提高电极之间的电子密度和能量分布，达到增强大气压多针-筒电晕(流光)放电等离子体强度的目的。
图1所示的实施例1中，所述的高压电源采用上升沿小于500ns、脉宽小于5μs的正极性高压纳秒脉冲电源；所述的金属针1选用不锈钢尖端紧定螺丝，螺纹直径4mm，螺丝全长16mm，针尖长度3mm，螺丝针尖被磨圆，针尖直径约为0.8mm；所述的金属针固定件2由不锈钢加工制成的金属圆环，内径32mm，外径40mm，高度5mm，且金属圆环上均匀分布制穿6个M4的螺纹孔；所述的金属透光网筒3是由不锈钢材质加工制成，尺寸是内径28mm，外径32mm，高度100mm，孔径1mm；所述的金属透光网筒3上均匀配合6个金属针固定件4，每个金属针固定件2装配6个金属针1；所述的低逸出功金属材料圆筒4由内径80mm，外径84mm，高度100mm的不锈钢圆筒和厚度0.05mm的高纯锌箔组成，其中高纯锌箔通过0.05mm厚的导电胶粘贴于不锈钢圆筒的内壁上，从而构成低逸出功金属阴极；所述的短波长紫外灯9的波长254nm，功率40W。
实施例2(如图2所示)
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置的实施例，如图2所示选取多线-筒电晕(流光)放电等离子体系统作为应用对象，该装置包括低逸出功金属材料圆筒4、金属线5、金属线固定件6、短波长紫外灯9。所述的金属线5构成阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连，大气压放电等离子体在阳极的金属针1和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成；所述的金属线5通过两个分布在低逸出功金属材料圆筒4两端的金属线固定件6固定并拉直；所述的短波长紫外灯9布置于金属线5围成的空间内，短波长紫外灯9辐射的紫外光直接照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子，同时持续逸出的光电子在外加电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流，从而提高电极之间的电子密度和能量分布，达到增强大气压多线-筒电晕(流光)等离子体强度的目的。
图2所示的实施例2中，所述的高压电源采用上升沿小于500ns、脉宽小于5μs的正极性高压纳秒脉冲电源；金属线5两端由两个尼龙材质的金属线固定件6固定并拉直，所述的金属线固定件6由尼龙材质制成，内径32mm，外径40mm，高度5mm，并在圆环面上均匀分布制穿6个直径为0.5mm的圆孔；所述的金属线5选用直径0.5mm的铜线，金属线5穿过金属线固定件6上的圆孔并由两个金属线固定件6固定并拉直；所述的低逸出功金属材料圆筒4由内径56mm，外径60mm，高度100mm的不锈钢圆筒和厚度0.05mm的高纯锌箔组成，其中高纯锌箔通过0.05mm厚的导电胶粘贴于不锈钢圆筒的内壁上，从而构成低逸出功金属阴极；所述的金属线5与低逸出功金属材料圆筒4内壁面之间的放电间隙约为10mm；所述的短波长紫外灯9的波长254nm，功率40W。
实施例3(如图3所示)
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置的实施例，如图3所示选取多针-筒介质阻挡放电等离子体系统作为应用对象，该装置包括金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3、低逸出功金属材料圆筒4、金属针套管7、短波长紫外灯9。所述的金属针1、金属针固定件2、金属透光网筒3构成阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连，大气压放电等离子体在阳极的金属针1和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成；所述的金属针1与金属针套管7紧密配合，且金属针1完全内嵌入金属针套管7中，并确保金属针1针尖端被完全包裹；所述的金属针套管7在金属针1和低逸出功金属材料圆筒4之间作为介质阻挡放电系统中的电介质材料；所述的金属针1装配在金属针固定件2上，所述的金属针固定件2为环状结构，其内径和金属透光网筒3的外径紧密配合，厚度略大于金属针1的直径，两个金属针固定件2之间预留一定间隙以允许紫外光通过；所述的短波长紫外灯9布置于金属透光网筒3内，短波长紫外灯9辐射的紫外光透过金属透光网筒3的网孔后，可从金属针固定件2之间预留的间隙照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子，同时持续逸出的光电子在外加电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流，从而提高电极之间的电子密度和能量分布，达到增强大气压多针-筒介质阻挡放电等离子体强度的目的。
图3所示的实施例3中，所述的高压电源采用上升沿小于500ns、脉宽小于5μs的正极性高压纳秒脉冲电源；所述的金属针1选用直径4mm，全场16mm，针尖长度3mm的不锈钢针，针尖被磨圆，针尖直径约为0.8mm；所述的金属针套管7壁厚为2mm，管口处内径4mm，套管尖端直径约为0.8mm，全长11mm，针尖长度5mm，材质为石英玻璃；金属所述的金属针固定件2由不锈钢加工制成的金属圆环，内径32mm，外径40mm，高度5mm，且金属圆环上均匀分布制穿6个直径4mm的圆孔；所述的金属透光网筒3是由不锈钢材质加工制成，尺寸是内径28mm，外径32mm，高度100mm，孔径1mm；所述的金属透光网筒3上均匀配合6个金属针固定件4，每个金属针固定件2装配6个金属针1；所述的低逸出功金属材料圆筒4由内径80mm，外径84mm，高度100mm的不锈钢圆筒和厚度0.05mm的高纯锌箔组成，其中高纯锌箔通过0.05mm厚的导电胶粘贴于不锈钢圆筒的内壁上，从而构成低逸出功金属阴极；所述的短波长紫外灯9的波长254nm，功率40W。
实施例4(如图4所示)
一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置的实施例，如图4所示选取网筒-筒介质阻挡放电等离子体系统作为应用对象，该装置包括金属透光网筒3、低逸出功金属材料圆筒4、电介质管8、短波长紫外灯9。所述的金属透光网筒3作为阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒4作为阴极并通过导线与地极相连，大气压放电等离子体在阳极的金属针1和阴极的低逸出功金属材料圆筒4内壁之间形成；所述的电介质管8在金属透光网筒3和低逸出功金属材料圆筒4之间作为介质阻挡放电系统中的电介质材料；所述的电介质管8内壁面与金属透光网筒3外壁面紧密配合；所述的短波长紫外灯9布置于金属透光网筒3内，短波长紫外灯9辐射的紫外光依次透过金属透光网筒3、电介质管8照射到低逸出功金属材料圆筒4内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒4内壁材料表面持续逸出光电子，同时持续逸出的光电子在外加电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流，从而提高电极之间的电子密度和能量分布，达到增强大气压网筒-筒介质阻挡放电等离子体强度的目的。
图4所示的实施例4中，所述的高压电源采用上升沿小于500ns、脉宽小于5μs的正极性高压纳秒脉冲电源；所述的金属透光网筒3是由不锈钢材质加工制成，尺寸是内径28mm，外径32mm，高度100mm，孔径1mm；所述的电介质管8选用内径32mm，外径36mm，高度120mm的石英管；所述的低逸出功金属材料圆筒4由内径42mm，外径46mm，高度100mm的不锈钢圆筒和厚度0.05mm的高纯锌箔组成，其中高纯锌箔通过0.05mm厚的导电胶粘贴于不锈钢圆筒的内壁上，从而构成低逸出功金属阴极；所述的短波长紫外灯9的波长254nm，功率40W。
本明的结果验证及说明：
图5描述了初始放电前紫外光辐射对金属电极之间形成光电流的影响。结果表明，在其他条件相同的情况下，有紫外光辐射时电极间隙之间可以检测到明显的光电流，说明紫外光辐射使得金属阴极表面逸出光电子，并在电场作用下从阴极向阳极之间迁移形成了光电流信号。图6描述了不同脉冲电压下紫外光辐射对大气压脉冲放电电流的影响。可以发现，相较于没有紫外光辐射，有紫外光辐射可以明显提高大气压脉冲放电的电流，且在13kV时已经开始放电，说明紫外光辐射不仅降低了大气压脉冲放电的初始放电电压，促进了大气压脉冲放电的形成，也明显增强大气压脉冲放电等离子体强度。本实施例结果证明了紫外光诱发光电效应在增强大气压放电等离子体强度应用领域的有效性。
最后应当指出，以上所述实施例仅代表本发明的技术方案和实施方式，但并不能理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员应当认识到，尽管本发明依据实施例对发明内容进行了详细说明，但在不脱离本发明构思和技术方案的范围内，还可以对本发明做出相关改进、替换和变形等，均属于本发明的保护范畴之内。
Claims (9)
1.一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的方法，其特征在于，所述的方法通过短波长紫外光辐射具有低逸出功的金属阴极材料，在大气压条件下诱发光电效应生成，并在阴极材料表面释放光电子作为种子电子，增加放电初始种子电子数量；同时紫外光作用下持续逸出的光电子在电场的作用下从阴极向阳极迁移形成光电流，将光能转化为电能，提高阴极和阳极之间的电子密度和能量分布，促进大气压放电等离子体的形成，提高大气压放电等离子体强度。
2.一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，基于权利要求1所述的方法实现，所述的装置主要由低逸出功金属材料圆筒(4)和其内部的短波长紫外灯(9)、阳极电极结构组成，其中，阳极电极结构布置在短波长紫外灯(9)外围并与高压电源相连，低逸出功金属材料圆筒(4)作为阴极并与地极相连，该装置根据在低逸出功金属材料圆筒(4)和阳极电极结构之间是否存在电介质材料分为大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统和大气压介质阻挡放电等离子体发生系统两种形式。
3.根据权利要求2所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述的大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统，根据阳极电极结构主要分为以下两种：
第一种是：大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统采用多针-筒电晕(流光)放电结构，包括金属针(1)、金属针固定件(2)、金属透光网筒(3)、低逸出功金属材料圆筒(4)、短波长紫外灯(9)；所述的金属针(1)、金属针固定件(2)、金属透光网筒(3)构成阳极电极结构并通过导线与高压电源相连，低逸出功金属材料圆筒(4)作为阴极并通过导线与地极相连；所述的金属针(1)装配在金属针固定件(2)上；所述的金属针固定件(2)为环状结构，其内径和金属透光网筒(3)的外径紧密配合，厚度大于金属针(1)的直径；所述的短波长紫外灯(9)布置于金属透光网筒(3)内，短波长紫外灯(9)辐射的紫外光透过金属透光网筒(3)的网孔后，从金属针固定件(2)之间预留的间隙照射到低逸出功金属材料圆筒(4)内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒(4)内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属针(1)、金属针固定件(2)、金属透光网筒(3)构成的阳极可采用正极性高压直流源、正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属针(1)和阴极的低逸出功材料金属圆筒(4)内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流；
第二种是：大气压电晕(流光)放电等离子体发生系统采用多线-筒电晕(流光)放电结构，包括低逸出功金属材料圆筒(4)、金属线(5)、金属线固定件(6)、短波长紫外灯(9)；所述的金属线(5)构成阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒(4)作为阴极并通过导线与地极相连；所述的金属线(5)通过两个分布在低逸出功金属材料圆筒(4)两端的金属线固定件(6)固定并拉直；所述的短波长紫外灯(9)布置于金属线(5)围成的空间内，短波长紫外灯(9)辐射的紫外光直接照射到低逸出功金属材料圆筒(4)内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒(4)内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属线(5)和金属线固定件(6)构成的阳极可采用正极性高压直流源、正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属针(1)和阴极的低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流；
所述的大气压介质阻挡放电等离子体发生系统，根据阳极电极结构主要分为以下两种：
第三种是：所述的大气压介质阻挡放电等离子体发生系统采用多针-筒介质阻挡放电结构，包括金属针(1)、金属针固定件(2)、金属透光网筒(3)、低逸出功金属材料圆筒(4)、金属针套管(7)、短波长紫外灯(9)；所述的金属针(1)、金属针固定件(2)、金属透光网筒(3)构成阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒(4)作为阴极并通过导线与地极相连；所述的金属针(1)完全内嵌入金属针套管(7)中，金属针(1)针尖端被完全包裹；所述的金属针套管(7)在金属针(1)和低逸出功金属材料圆筒(4)之间作为介质阻挡放电系统中的电介质材料；所述的金属针(1)装配在金属针固定件(2)上，金属针固定件(2)为环状结构，其内径和金属透光网筒(3)的外径紧密配合，厚度大于金属针(1)的直径；所述的短波长紫外灯(9)布置于金属透光网筒(3)内，短波长紫外灯(9)辐射的紫外光透过金属透光网筒(3)的网孔后，从金属针固定件(2)之间预留的间隙照射到低逸出功金属材料圆筒(4)内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒(4)内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属针(1)、金属针固定件(2)、金属透光网筒(3)构成的阳极可采用正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属针(1)和阴极的低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保持续逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流；
第四种是：所述的大气压介质阻挡放电等离子体发生系统采用网筒-筒介质阻挡放电结构，包括金属透光网筒(3)、低逸出功金属材料圆筒(4)、电介质管(8)、短波长紫外灯(9)；所述的金属透光网筒(3)作为阳极并通过导线与高压电源相连，所述的低逸出功金属材料圆筒(4)作为阴极并通过导线与地极相连；所述的电介质管(8)在金属透光网筒(3)和低逸出功金属材料圆筒(4)之间作为介质阻挡放电系统中的电介质材料；所述的电介质管(8)内壁面与金属透光网筒(3)外壁面紧密配合；所述的短波长紫外灯(9)布置于金属透光网筒(3)内，短波长紫外灯(9)辐射的紫外光依次透过金属透光网筒(3)、电介质管(8)照射到低逸出功金属材料圆筒(4)内壁上，诱发低逸出功金属材料圆筒(4)内壁材料表面持续逸出光电子；所述的金属透光网筒(3)构成的阳极可采用正极性高压脉冲源、双极性高压脉冲源或者高压交流源激励，并在阳极的金属透光网筒(3)和阴极的低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间形成大气压放电等离子体，同时确保逸出的光电子在电场的作用下可以从阴极向阳极迁移形成光电流。
4.根据权利要求3所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述的第一种、第二种、第三种、第四种结构中：
所述的短波长紫外灯(9)与低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间的距离范围是0mm-200mm之间可调；
所述的短波长紫外灯(9)波长范围是100nm-300nm之间可调，其波长对应的电子伏需要大于低逸出功金属材料圆筒(4)的金属材料逸出功，确保短波长紫外灯(9)辐射的紫外光照射到低逸出功金属材料圆筒(4)内壁可持续产生光电子，并在电场作用下形成光电流，光电流的方向是自阴极迁移向阳极。
5.根据权利要求3所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述的第一种、第二种、第三种、第四种结构中，所述的低逸出功金属材料圆筒(4)仅充当金属阴极，其金属材质包括锌、铁、铜；所述的第二种结构中，金属线(5)可用金属棒、螺纹棒替代；所述的金属线固定件(6)、金属针套管(7)均由绝缘材质制成；所述的第四种结构中，电介质管(8)由对紫外光透过率较好且绝缘性好的电介质材料制成。
6.根据权利要求3所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述的第一种结构中：所述的金属针(1)长度范围是1mm-50mm之间可调，针尖直径范围是0-50mm之间可调，通过改变金属针(1)的长度改变放电间隙；金属针(1)针尖与低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间的气体放电间隙范围是10mm-100mm之间可调。
7.根据权利要求3所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述的第二种结构中，金属线(5)与低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间的气体放电间隙范围是10mm-100mm之间可调。
8.根据权利要求3所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述的第三种结构中，所述的金属针(1)长度范围是1mm-50mm之间可调，针尖直径范围是0-50mm之间可调，通过改变金属针(1)的长度改变放电间隙；所述的金属针套管(7)的壁厚范围是1mm-3mm之间可调，且套管尖端直径范围是0-50mm之间可调；所述的金属针套管(7)与低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间的气体放电间隙范围是0mm-30mm之间可调。
9.根据权利要求3所述的一种紫外光诱发光电效应增强大气压放电等离子体强度的装置，其特征在于，所述第四种结构中，所述电介质管(8)与低逸出功金属材料圆筒(4)内壁之间的气体放电间隙范围是0mm-30mm之间可调；所述电介质管(8)厚度范围是1mm-3mm之间可调，长度大于不锈钢透光筒(3)，并确保上下部分均多出10mm以上，防止放电沿着电介质管(8)边缘传播。
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