CN1596060B - 一种强电离放电非平衡等离子体源 - Google Patents

Abstract

一种强电离放电非平衡等离子体源属于气体电离放电和等离子体应用技术领域，它由电源、接地极、放电极、电介质层组成。向放电极上施加交变电压，产生浓度为10¹⁵/cm³等离子体。再在外加力的作用下，把等离子体从放电电场成束的输送出去。外加力是通过气体作用于电场中的离子身上的，外输等离子体浓度大于10¹²/cm³。该等离子体源体积小、耗能低，硬度高，损耗小，产生的离子浓度高。为解决等离子体隐身、减阻及天线工程化研究提供了理论及方法基础，也为高气压强电离放电非平衡等离子体源在军事、工业上推广应用奠定了基础。

Description

一种强电离放电非平衡等离子体源

技术领域

本发明属于气体电离放电和等离子体应用技术领域，涉及到一种强电离放电非平衡等离子体源。

背景技术

高气压非平衡等离子体在工业上有很多重要应用，包括静电收尘器、静电复印、静电植绒、静电选别及表面改性等。在化学领域也有所应用，其中形成规模的是臭氧商业生产，一般工业上应用的等离子体源，是以电晕放电及流光(微)放电方法产生非平衡等离子体为主。大多数应用场合是把等离子体源与其反应器合二而一加以使用，例如现有的电晕放电电收尘器(EP)、脉冲电晕放电的脱硫脱硝研究的设备等均是等离子体源和反应器合二而一加以使用的。由于现有工业上用的等离子体源均采用直流电晕放电、脉冲电晕放电的方法产生的，它的放电电场强度分别低于10kV/cm、20kV/cm，电子具有平均能量分别低于1eV、2eV，等离子体浓度小于10⁶/cm³。由于等离子体源输出的等离子体浓度低，等离子体源每立方厘米、每小时只能处理27×10^-6m³的气量。例如，要处理10⁵m³/h烟气量的中小型电收尘器(等离子体源)体积约为3700m³，是一个庞大设置。

高气压非平衡等离子体源在军事上，尤其是在飞行器隐身、减阻以及隐身天线等领域中显示出无可比拟的突出特点，势必成为具有突破性的新军事科学技术及其装备的发展方向，也是目前世界各军事强国竞相研究的焦点。等离子体隐身、减阻技术是一种创新的概念，近期有不少学者进行等离子体隐身、减阻的理论及方法研究。等离子体隐身、减阻方法并不涉及飞行器本身的空气动力系统，在不影响被保护飞行器技术性能的同时，又能大幅度降低飞行器的被发现概率和飞行阻力。等离子体隐身技术对飞行器外形没有特殊要求，可以把现在不具备隐身性能的飞机装备成隐身飞机。它具有吸收频带宽、吸收率高、使用简便、服役时间长、不用维护保养等特点。该项目一旦研究成功，就能完全克服美国、俄罗斯现有的涂覆一层吸波材料的隐身技术的缺点。2002年孙爱萍等人理论计算表明，在等离子体密度为1011/cm³及其厚度为10cm的条件下，无论均匀、非均匀等离子体对电磁波能量的吸收率达到90％。1992年，美国休斯实验室Vidmar等人进行了等离子体隐身研究，据研究报导电磁波4GHz-14GHz范围内能平均衰减20dB。据媒体报导称，俄罗斯在等离子体隐身技术研究领先于美国。1999年报导俄罗斯克尔德什(keldysh)研究中心的电晕放电非平衡等离子体隐身研究进展，据称雷达散射面积衰减30dB。存在需要存储大量液体试剂及加热蒸发等一系列附加配件，所以等离子体源设备体积大、重量重(100kg/个)、耗能大(40kW/个)等问题。一个第五代米格战斗机(MFI)就需安装4台，一个战斗机很难运载400kg的等离子体源，也很难提供160kW功率。这表明了他们并没有解决等离子体隐身工程上一系列的关键技术。至于媒体报导他们在现役飞机上应用以及国外出售等离子体隐身技术是不可信的。

长期以来，以美俄为主导的军事大国都在关注等离子体减少飞行阻力的研究工作。减小飞行器阻力是提高飞行器气动性能基本要求，增加了飞行器升力和提高升阻比，以便提高飞行速度和增加航程。只要飞机阻力下降百分之几，对飞行器和民航机来说，每年可节省上千亿美元的燃料成本。因此，世界各航空航天大国都一直致力于飞行器的等离子体减阻研究。1995年、1996年美国田纳西大学(UTK)等离子体科学实验室Roth等人进行了大气辉光放电等离子体减阻研究。2000年美国空军研究单位Yano等人进行超声非平衡等离子体减阻风洞试验；2002年Shang等人、Appartaim等人和2003年Soloviev等人分别进行了飞机的超声速等离子体减阻实验研究。研究表明，等离子体层能够将静电彻体力传输到气动边界层，减少了边界层湍流度，抑制了湍流涡系的形成，从而减少飞行器的阻力系数和消除飞行器表面上边界层湍流的影响，飞行器模型阻力减少了近30％。这些研究都是在辉光放电条件下进行的，飞行器在高空飞行时很难在其表面形成辉光放电层，是做不到的。

等离子体天线“将使武器设计和战术发生革命”，为此1984年T.J.Dwyer1996年美国Roth、1998年Igor等人、2003年Novikov等人和Grwal等人均进行了大量等离子体隐身天线研究。研究表明，只要等离子体的电子浓度大于2.43×10¹²/cm³时，入射电磁波频率低于14GHz的所有频带，它在等离子体镜面的反射率与金属镜面的反射率几乎一样，接近100％。等离子体天线是一种新型电控无惯性宽带天线，具有低成本，结构简单，瞬间宽频带和雷达散射截面积为零等特性。适用于平台自卫、高分辨率成像、目标识别等雷达及雷达对抗领域。因而大大提高隐身平台的作战功能，21世纪是作战平台隐身的时代。美国海军研制成直径为790mm，高度为810mm的等离子体天线。它们工作在真空系统中，阴极、阳极均采用铜制成的，在电极之间产生了辉光放电，形成了等离子体的镜面反射器，增加消耗功率70kW以上，目前还存在使用大面积铜作为电极，雷达散射面积还是不小的，另外还存在庞大真空系统和能耗增加等问题。所以说，具有雷达散射截面积为零，无真空系统，低电耗的等离子体源将成为今后等离子体天线研究的主攻方向。

为何这些研究成果还没有用于现役军事装备上，甚至还没有进行可行性的模拟试验，其主要问题是没有适用于飞行器隐身、减阻技术要求的小型、低能耗、高浓度的非平衡等离子体源。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种强电离放电非平衡等离子体源，该等离子体源体积小、耗能低，硬度高，损耗小，产生的离子浓度高。为解决等离子体隐身、减阻及天线工程化研究提供了理论及方法基础，也为高气压强电离放电非平衡等离子体源在军事、工业上推广应用奠定了基础。

本发明解决其技术所采用的技术方案是：

一种强电离放电非平衡等离子体源，它是这样实现的，首先由放电极、接地极、电介质层组成放电间隙，然后向放电极上施加交变电压，在放电间隙中建立起激励平均电场强度为100kV/cm～200kV/cm的放电电场，利用介质层阻挡交变电场发生火花及弧光放电，使放电间隙里形成流光放电，产生浓度为10¹⁵/cm³等离子体。再在外加力的作用下，把等离子体从放电电场成束的输送出去。外加力是通过气体作用于电场中的离子身上的，外输等离子体浓度大于10¹²/cm³。等离子体源是由放电极、接地极、电介质层及隔片组成，其放电间隙为0.2～1.5mm，其中电介质层材料为陶瓷、玻璃或搪瓷。等离子体源的形状为管形、平板型。放电有效单位体积、单位时间处理气量在15m³/cm³·h以上。等离子体源的放电能流密度低于2W/mm²，硬度＞1000(HV)，损耗＜4×10^-4，在环境温度500℃～800℃条件下能正常工作。

实施本发明的具体步骤是：

1.电介质层的选取：

选取具有高体积密度(＞3.8g/cm³)、高电阻率(＞10¹⁶Ω·cm)、高介质常数(＞10)、吸水率为0.0％的α型AL₂O₃(陶瓷)超微细粉作为电介质材料。用冷等离子体喷冶技术把AL₂O₃粉末均匀、密实喷冶在电极表面上，形成一层极薄(200μm)的电介质薄层。该电介质层抑制了电场放电电流无限制地增大，阻止发生火花放电或弧光放电，保证了能满足强电场电离放电的要求。

2.形成强电场电离放电的物理过程：

电介质覆盖在放电极、接地极表面上，就可以对放电极施加比较高的电压，在放电间隙里建立起激励电场，当激励电场强度Eg大于气体击穿电场强度Egc时，在放电间隙中产生细丝状流光(微)放电。在流光放电通道的雪崩头部积累了大量空间电荷，并形成了本征电场，本征电场强度Ei叠加在外加的激励电场强度Eg上，实际上作用于带电离子上的电场强度是

E＝Eg+Ei

只要解决了电介质层的材料配方和加工工艺，就可以对放电极施加高电压。此时，不但放电间隙的激励电场强度Eg有所增加，它形成流光放电就更加激烈了；在雪崩头部积累的空间电荷量迅速地增加，进而使本征电场强度大大地增加。因而，在放电间隙里形成了更加激烈的强电场电离放电。

3.取得具有高能量的电子：

电子从电离电场取得功率是

$p=\frac{v_c}{{\mathrm{\ω}}^2+{v_c}^2}\·\frac{e^2{E}^2}{2m_e}$

式中m_e为电子质量；ν_c为电子碰撞频率；ω为等离子体激励频率；e为电子电荷；E为气体放电电场强度。从上式中可见，电子具有功率与放电电场强度的平方值成正比关系增加。只有放电电场强度达到100kV/cm～200kV/cm时，才能把大气中氧(电离能为12.5eV)、氮(电离能为12.5eV)等气体分子电离成为高浓度等离子体。可见，外加激励电压值对输出去的等离子体浓度影响很大。为此，采取强电场电离放电方法去取得高浓度等离子体。

4.取出受强电场束缚的离子方法：

在强电场里带电离子受电场的作用力是

Fe₁＝e(Eg+Ei)＝eE

带电离子在电场中迁移率是

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{\mathrm{\υdi}}{E}$

带电粒子平均定向运动(漂移)速度υdi与电场强度直接有关，也与气体浓度有关。由于强电离放电电场强度值很大，则带电离子被紧紧地束缚在流光通道里，反复的进行复合、电离等反应。只有外加作用力大于电场对带电离子束缚力时，方能把带电离子从强电场束缚中拉出去。

强电离放电非平衡等离子体源输出的等离子体浓度与作用离子上的外加力数值成线性函数关系增加。一旦增加到峰值时，等离子体浓度就会迅速下降，甚至形成不了流光放电。离子浓度还受到外加激励电场强度影响，随着电场强度增加则离子浓度峰值也有着明显增加。

本发明有益效果是：

采用高气压强电场电离放电方法产生高浓度非平衡等离子体。在放电间隙内的等离子体浓度可达10¹⁵/cm³，电子具有平均能量达到13eV，能把以氮、氧气体分子为主体的气体电离成高浓度等离子体。解决了被强电场束缚的带电离子引出去问题。

强电离放电非平衡等离子体源输出去的等离子体浓度达到10¹²/cm³以上，高出现有的高气压非平衡等离子体源7-8个数量级；单位体积、单位时间处理气量达到15m³/h·cm³，比现有等离子体源处理气量能力提高了数万余倍，体积减少数万倍，能耗也相应减少数万倍；工作温度可达到500℃左右，等离子体源的气体通道硬度达到1000(HV)，损耗小于10^-4，解决了现有等离子体源存在的不耐高温及易损耗等问题。

解决了飞行器的等离子体隐身、减阻等应用上现存的技术难题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的电介质层冶贴在放电极的强电离放电等离子体源结构示意图。

图2为本发明的电介质层冶贴在接地极的强电离放电等离子体源结构示意图。

图3为本发明的放电极和接地极都冶贴电介质层的强电离放电等离子体源结构示意图。

图中：1.高频高压电源，2.接地极，3.放电极，4.等离子体，5.放电间隙，6.第一电介质层(冶贴在放电极)，7.气体，8.等离子体束，9.第二电介质层(冶贴在接地极)

具体实施方式

高气压强电离放电等离子体源是由接地极2和第一电介质层6或第二电介质层9及放电极3组成。当高频高压电源1向等离子体源施加高频高压电时，在放电极3和第一电介质层6和接地极2组成的放电间隙5中形成高气压下的强电离放电，产生高浓度的等离子体4。当气体7通过等离子体源时，其力量作用于等离子体4将其拉出电场，形成等离子体束8。

采用强电场电离放电的等离子体源处理烟气，它每立方厘米、每小时能处理0.1m³的气量，是直流、脉冲电晕放电的等离子体源处理气量的3700倍。同样处理10⁵m³/h气量的等离子体源将从3700m³减小到1.0m³，体积减小千余倍，相应能耗也要减少千余倍。这是由于强电场放电的电子浓度比现有电晕放电要高出7个数量级所致。

由于高气压强电场非平衡等离子体源内的放电电场中电子具有高浓度和大能量的特点，可以通过强电离放电非平衡等离子体源加工成具有高活性的等离子体束，它们恰恰是极具有活性的化学反应物种。例如能把NH^*、NH₂ ^*、NH⁺、NH₂ ⁺、N^*、N⁺、H^*和H⁺等活性粒子后再注入主输气管道内，在烟气运行温度、压力条件下，不用任何催化剂、试剂，在管道内与烟气中SO₂进行化学反应，产生固体的硫酸铵盐(化肥)，再用电收雾气加以回收。省去当前先进的电子束干法脱硫的庞大电子加速器及反应器。在同一反应过程，活性粒子又把NO_x氧化分解成HO₂、N₂，实现了在管道内进行脱硫脱硝的理想方法。与电子束法相比，它的脱硫、脱硝设备的体积、能耗、占地面积、成本等成千倍降低。同理，也可以把O₂、H₂O通过强电离放电非平衡等离子体源加工成具有极强氧化力的羟基自由基(OH^*)等活性粒子的等离子体束，由于羟基氧化力与氟相当，高于臭氧的氧化力35％，它的化学反映率常数也高出7个数量级。如把含有高浓度羟基自由基的等离子体束注入烟道中，仅在1s内，不用外加吸收剂、催化剂就能把SO₂、NO_x氧化成硫酸、硝酸液滴，它在烟道中附着在粉尘上，在除尘过程中也同时把SO₂、NO_x脱除掉，极微量的硫酸、硝酸对烟尘再利用几乎没有什么影响。具有羟基自由基的等离子体束又可以用于上、下水深度处理、杀毒灭菌、治理赤潮及海样外来生物入侵性传播，完全符合先进氧化技术的要求，做到零污染、零废物排放，实现了从根本上解决了水治理的环境污染问题。可见高气压非平衡等离子体源将对某些化学工业、环保工程带来一次巨大的变革。

采用一个有效放电体积仅为0.8m³的强电离放电非平衡等离子体源，就能形成避雷需要的等离子体雾层，每小时能覆盖5km²区域，是一个0.5公顷的厂区、军事设置和建筑物等地域或躲避雷击。强电离放电非平衡等离子体源输送出去的。等离子体浓度达到10¹²/cm³时，就可以在一个音速、超音速飞机表面上覆盖厚度为0.5m，宽为2m，等离子体的平均浓度为10⁹/cm³的等离子体雾带。在飞行器表面形成一个具有梯度的等离子体雾层，使飞行器表面等离子体浓度要小于又接近10¹¹/cm³，并向外呈递减分布。可使等离子体具有更宽的吸波带，经吸收、折射衰减的余下电磁波被反射回来后，又进一步的被吸收、折射，又一次降低雷达散射截面。提高了飞行器隐身性能。等离子体平均浓度达到10⁹/cm³，满足了飞行器在雷达电磁波频率在4GHz-14GHz范围内雷达散射截面衰减30dB左右；以及减阻30％的要求；等离子体天线的镜面反射率与金属的反射率是一样的，它的雷达散射截面积为零。

高气压强电场电离放电理论、方法研究新进展和从强电场中取出离子极端方法的突破，为解决等离子体隐身、减阻及天线工程化研究提供了理论及方法基础，也为高气压强电离放电非平衡等离子体源在军事、工业上推广应用奠定了基础。

Claims (6)

1.一种强电离放电非平衡等离子体源，是由电源(1)、接地极(2)、放电极(3)、第一电介质层(6)或第二电介质层(9)构成，电源的频率范围为5000Hz～50000Hz，输出的交变电压范围为2000V～20000V，第一电介质层(6)与接地极(2)之间的放电间隙为0.2～1.5mm，其特征在于：

(a)外输等离子体束(8)的等离子体浓度为10¹²～10¹⁴/cm³；

(b)单位时间处理气量在15～50m³/cm³·h以上；

(c)等离子体源的放电能流密度低于2W/mm²；

(d)等离子体源的硬度＞1000HV，损耗＜4×10^-4。

2.根据权利要求1所述的一种强电离放电非平衡等离子体源，其特征在于，第一电介质层(6)与放电极(3)连结，第一电介质层(6)与接地极(2)之间的放电间隙为0.2～1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种强电离放电非平衡等离子体源，其特征在于，第二电介质层(9)与接地极(2)连结，第二电介质层(9)与放电极(3)之间的放电间隙为0.2～1.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种强电离放电非平衡等离子体源，其特征在于，第一电介质层(6)与放电极(3)连结，第二电介质层(9)与接地极(2)连结，第一电介质层(6)与第二电介质层(9)之间的放电间隙为0.2～1.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种强电离放电非平衡等离子体源，其特征在于，向放电极(3)上施加交变电压，在放电间隙(5)中建立放电电场，形成流光放电，产生等离子体(4)，再把等离子体(4)从放电电场中成束的输送出等离子体束(8)，工作环境温度为500℃～800℃。

6.根据权利要求5所述的一种强电离放电非平衡等离子体源，其特征在于，用气体(7)把等离子体(4)从放电电场中成束的输送出等离子体束(8)，气体的压力0.2～0.4MPa。

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