CN1220409C - 一种活性气体发生方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种活性气体发生方法及其装置，采用介质阻挡放电方式产生放电；介质阻挡放电的放电区周边设置一送气通道，送气通道的侧壁上开有槽状或者多孔送气口，送气口的送气方向朝向放电区；在送气通道内注入工作气体，工作气体流经放电区产生等离子体，并产生活性中性粒子；包含活性中性粒子的活性气体随气流流出所述放电区，最后到达被处理工件表面。本装置包括交变电源、与交变电源的输出端电连接的上下电极以及绝缘介质片；还包括置于放电区周边的送气通道。本装置可以产生均匀的活性气体，被处理工件处于装置外部，其表面可以具有三维结构，而且不被放电损伤。本方法及其装置可用于产生材料制备或各种材料表面处理所需要的活性气体。

Description

一种活性气体发生方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种活性气体发生方法及其装置，特别是涉及一种具有周边送气通道的介质阻挡放电活性气体发生方法及其装置。
背景技术
由于装置简单，并且有可能在大气压下工作，介质阻挡放电等离子体受到越来越多的关注。介质阻挡放电是一种非平衡、交变性气体放电。由于在介质阻挡放电结构中至少有一个电极表面覆盖有介质层/片(也可以在两个电极表面都覆盖有介质层/片，或在两电极间插入一介质片)，顾而得名。也有人根据对这种放电特性不同的理解或由于历史的原因将其称作无声放电，或介质层控制的气体放电，或大气压高频放电，等等。在介质阻挡放电中，由于在电极表面存在介质层，放电中产生的电荷在其上的积累可以自发地控制放电电流的发展，从而可以在较高的气压条件下获得大面积均匀的放电或大而均匀的放电空间。
介质阻挡放电主要有两种类型，即空间放电类型和表面放电类型。空间类型介质阻挡放电是在两个相隔一定距离的电极的气隙间产生的。这两个电极通常是平行平面或是同轴圆柱面，但也可能是同样结构的三维曲面。表面类型介质阻挡放电的电极通常置于同一介质片的两边，其中一边的电极呈条形结构，放电沿介质表面产生，故亦称表面放电或沿面放电。近期亦有将两电极置于介质片的同一面成插指状，称共面结构，放电沿另一面的表面产生。
在较高气压下(如，＞0.01Pa)，介质阻挡放电是由许多微放电组成的在时间平均和宏观上表现出均匀的放电。而在较小的尺度范围内(如，＜1mm)，介质阻挡放电是不均匀的。另一方面，由于微放电的直径小，交变时间短，在被微放电打击的局部区域所接受的功率密度非常高，这会造成表面损伤。
在大多数空间类型介质阻挡放电表面处理的实例中，被处理工件通常被置于两电极之间，或将被处理工件作为一个电极。这样，工件处于一个不均匀的等离子体环境中，而且表面受到微放电的打击。在表面型介质阻挡放电表面处理实例中，被处理工件被置于放电产生的等离子体的扩散区，避免了微放电的打击。但表面型介质阻挡放电受本身电极结构的影响，放电区为条形，影响其空间均匀性。而且受介质材料耐压性、均匀性、厚度等因素的影响，表面型介质阻挡放电的功率小，等离子体密度低，因此处理量小，处理工期长。在介质阻挡放电等离子体处理表面的过程中，等离子体中的荷电粒子(电子和离子)的作用并不是决定性的。因为，一是其浓度低(占工作气体的比例＜10-6)，二是其存在的时间短(占空比＜10-3)。在放电等离子体中产生了大量的活性中性粒子，如，由分子分解出的原子(有些处于激发态)、自由基团，准分子等等。这些活性中性粒子的动能较低，不会对被处理表面产生损伤；而这些粒子带有较高的化学能，可以在工件表面产生必要的化学反应，如刻蚀、材料沉积、形成特有的表面基团，等等。这些活性基团的寿命通常比微放电的交变维持时间长数千倍以上。因此采用介质阻挡放电方法对材料表面进行处理的关键问题是要能为表面提供充足的和适当的活性物质，并迅速排出表面反应后产生的废气和退激活的物质。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的介质阻挡放电装置中被处理工件处于不均匀的环境中且其表面易被损伤等主要缺点，并且为被处理工件表面提供充足和适当的活性物质，从而提供一种活性气体发生方法及其装置。
本发明提供的一种活性气体发生方法，采用介质阻挡放电方式产生放电，所述的介质阻挡放电包括空间放电类型和表面放电类型；介质阻挡放电的放电区周边设置一送气通道，所述送气通道的侧壁上开有槽状或者多孔送气口，所述送气口的送气方向朝向所述放电区；在送气通道内注入工作气体，所述工作气体流经放电区产生等离子体，并产生活性中性粒子；包含活性中性粒子的活性气体随气流流出所述放电区，最后到达被处理工件表面。其中，所述的活性中性粒子包括电中性的独立原子和原子团，可处于激发态或基态，还包括自由基团，亚稳态粒子，各种分子碎片，各种可见或紫外光子等。所述的活性气体内也包括少量荷电粒子，如电子和各种正、负离子。
本发明提供的一种活性气体发生装置，包括交变电源5、与交变电源5的输出端电连接的上电极4和下电极6、厚度均匀的绝缘介质片3；所述上电极4为片状电极或一组互相平行的条状电极，所述绝缘介质片3覆盖在上电极4的下表面；所述下电极6或者与绝缘介质片3的表面接触，或者位于绝缘介质片3下方并且与绝缘介质片3平行隔开放置；还包括置于放电区7周边的送气通道1，其内侧开有槽状或者多孔送气口11，所述送气口11朝向放电区7；所述送气通道1还包括与其相通的进气通道2。
所述下电极6为一组互相平行的条状电极，与绝缘介质片3的下表面或者侧面接触，或者与绝缘介质片3的上表面接触并且与所述条状上电极4交错放置。所述下电极6为还可为具有网孔的网状电极，位于绝缘介质片3下方并且与绝缘介质片3平行隔开放置，与绝缘介质片3之间的距离为0.1mm～10mm。
所述送气通道1为环形送气通道或多边形送气通道，或者由两个或者两个以上的送气通道组成，包围所述放电区7，以便向放电区7内注入工作气体。
所述绝缘介质片3为平面形，或者根据被处理工件的表面形状为相应的三维曲面形，其厚度为0.1mm～5mm，绝缘介质片3上表面的电极周围设有防爬电凹槽12。所述送气通道1的形状与所述绝缘介质片3相一致，为平面形或三维曲面形。
所述交变电源5的有效电压在100V～100KV之间，其频率在50Hz～100KHz之间，所述交变电源5的电压数值呈周期性的正负变化。
本发明提供的一种活性气体发生装置可用于工件的表面处理。使用时，被处理工件8位于下电极6以及送气通道1的下方；根据处理要求选用不同的工作气体，并将工作气体从进气通道2注入到送气通道1中；工作气体从送气口11喷入放电区7；开启交变电源5，发生介质阻挡放电，在放电区7产生等离子体；工作气体在放电区7被激活，产生大量的活性中性粒子，形成活性气体流10流向被处理工件8。
本发明提供的一种活性气体发生方法及其装置的优点为：
(1)被处理工件处于放电区外部，不受放电过程的影响，保证其表面不被损伤。
(2)被处理工件处于放电区外部，其形状与表面状态不会影响放电过程，所以被处理工件的表面不一定需要是平面的，可以具有三维结构。
(3)被处理工件处于放电区外部，所以活性气体发生装置的大小不受被处理工件的体积与形状的影响。
(4)活性气体随气流到达被处理工件的过程中经扩散而均匀化，使得工件处于一个均匀的活性气氛中。
附图说明
图1是本发明实施例1中的一种活性气体发生装置的装置示意图；
图2是本发明实施例1中的一种活性气体发生装置的部分剖面图；
图3是本发明实施例2中活性气体发生装置的送气通道部分的装置示意图；
图4是本发明实施例2中活性气体发生装置的送气通道部分的剖面示意图；
图5是本发明实施例3中的一种活性气体发生装置的装置示意图；
图6是本发明的活性气体发生装置中上下电极与绝缘介质片的一种布置方式；
图7是本发明的活性气体发生装置中上下电极与绝缘介质片的另一种布置方式；
图8是本发明实施例4中的具有三维曲面形状的的活性气体发生装置。
图面说明：
送气通道1       进气通道2    绝缘介质片3    上电极4
交变电源5       下电极6      放电区7        被处理工件8
活性气体流10    送气口11     防爬电凹槽12
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
图1所示为采用空间放电型的活性气体发生装置，包括一交变电源5，其有效电压为8KV、频率为30KHz，其波形可以为正弦、矩形或者其它脉冲波形，要求其电压在正负值之间周期变化。交变电源5的一输出端与环形片状上电极4连接，上电极4的下表面覆盖着厚度为3mm的绝缘介质片3。网状下电极6与交变电源5的另一输出端连接，平行放置在绝缘介质片3下方，与绝缘介质片3之间的距离为5mm，网状下电极6上开有网孔；放电区7在网状下电极6和绝缘介质片3之间。一个环形的送气通道1包围着放电区7。送气通道1上有一个用于向其内输送气体的进气通道2，送气通道1内侧开有送气口11，送气口11可以为送气槽或者送气孔，送气口11朝向放电区7。图2是本实施例中的活性气体发生装置的部分剖面图。
通过进气通道2向环形送气通道1内注入氧气，开启交变电源5发生放电，放电时产生的等离子体位于网状下电极6和绝缘介质片3之间的放电区7，在放电区7内还产生大量的活性臭氧粒子和紫外线，这些活性粒子随活性气体流10流向被处理工件8。在被处理工件位置放置医疗器械或其它器械，在臭氧和紫外线的作用下可以有效地对器械进行消毒。
实施例2：
本实施例中的一种活性气体发生装置与实施例1相似，都是采用空间放电类型。不同之处在于，送气通道1为长方形的闭合送气通道，如图3所示。图4是本实施例中的长方形闭合送气通道的剖面图。
实施例3：
图5是采用表面放电型或者说沿面放电的活性气体发生装置，与实施例1中的装置相似。不同之处在于，下电极6为条状电极。条状下电极6与绝缘介质片3的下表面接触，放电区7位于条状下电极6的周围。
表面放电型的电极还可以采取其它的布置方式，如图6和图7所示。在图6中，上电极4为片状电极，下电极6为块状电极，下电极6与绝缘介质片的侧面接触。在图7中，条状下电极6与条状上电极4采取共面结构，即上、下电极都处于介质的同一面，上下电极彼此交错平行放置。
实施例4：
通常，被处理工件的表面具有三维结构，本发明提供的活性气体发生装置也可以通过适当的变形，以适应这样的结构。
如图8所述，被处理工件8具有“凸”状表面。与此相适应，片状上电极4、网状下电极6、绝缘介质片3和送气通道1都具有“凸”状外形，以便在下方形成一凹槽，用于容纳被处理工件8的“凸”状表面。本实施例中装置各个部分的位置关系同实施例1。
工作时，被处理工件8置于装置的凹槽内，其“凸”状上表面的各个部分都可均匀地接受到活性气体；被处理工件8还可沿凹槽运动，有利于长工件表面的处理。

Claims (10)

1、一种活性气体发生方法，其特征在于，采用介质阻挡放电方式产生放电；介质阻挡放电的放电区周边设置一送气通道，所述送气通道的侧壁上开有槽状或者多孔送气口，所述送气口的送气方向朝向所述放电区；在送气通道内注入工作气体，所述工作气体流经放电区产生等离子体，并产生活性中性粒子；包含活性中性粒子的活性气体随气流流出所述放电区，最后到达被处理工件表面。
2、一种实施权利要求1所述方法的活性气体发生装置，包括交变电源(5)、与交变电源(5)的输出端电连接的上电极(4)和下电极(6)、厚度均匀的绝缘介质片(3)；其特征在于，所述上电极(4)为片状电极或一组互相平行的条状电极，所述绝缘介质片(3)覆盖在上电极(4)的下表面；所述下电极(6)或者与绝缘介质片(3)的表面接触，或者位于绝缘介质片(3)下方并且与绝缘介质片(3)平行隔开放置；
还包括置于放电区(7)周边的送气通道(1)，其内侧开有槽状或者多孔送气口(11)，所述送气口(11)朝向放电区(7)；所述送气通道(1)还包括与其相通的进气通道(2)。
3、根据权利要求2所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述下电极(6)为一组互相平行的条状电极，与绝缘介质片(3)的下表面或者侧面接触，或者与绝缘介质片(3)的上表面接触并且与所述条状上电极(4)交错放置。
4、根据权利要求2所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述下电极(6)为具有网孔的网状电极，位于绝缘介质片(3)下方并且与绝缘介质片(3)平行隔开放置，与绝缘介质片(3)之间的距离为0.1mm～10mm。
5、根据权利要求2所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述送气通道(1)为环形送气通道或多边形送气通道。
6、根据权利要求2所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述送气通道(1)由两个或者两个以上的送气通道组成。
7、根据权利要求2或3或4所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述绝缘介质片(3)为平面形或三维曲面形，其厚度为0.1mm～5mm。
8、根据权利要求7所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述送气通道(1)的形状与所述绝缘介质片(3)相一致，为平面形或三维曲面形。
9、根据权利要求2所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述交变电源(5)的有效电压在100V～100KV之间，其频率在50Hz～100KHz之间；所述交变电源(5)的电压数值呈周期性的正负变化。
10、根据权利要求2所述的一种活性气体发生装置，其特征在于，所述绝缘介质片(3)上表面的电极周围设有防爬电凹槽(12)。
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