CN1777347A - 产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置 - Google Patents
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Abstract
一种产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，属产生低温等离子体的装置。在组成放电装置的一对金属电极中，其中一个金属电极的任一表面带有分布均匀的小锥尖端，另一个光滑金属电极的任一表面与一个绝缘介质的任一表面紧密贴合，绝缘介质的另一表面与带小锥尖端电极的另一表面相对，此两表面之间留有均匀放电间隙，当两个金属电极与一个高频高压电源连通，并在放电间隙中存在工作气体时，放电间隙中就会形成低温等离子体。本发明的放电电压低、放电强烈、生成的活性粒子多；可避免火花放电或弧光放电；能耗低和电子平均能量高等优点，微放电均匀稳定地分布在整个放电空间内，便于在高气压条件下获得大体积的低温非平衡等离子体。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种产生低温等离子体的电晕放电耦合介质阻挡放电的装置，属于产生低温等离子体的装置。
二、背景技术等离子体技术在诸多领域起着非常重要的作用。等离子体一般分为热等离子体和非热(低温)等离子体，低温等离子体是工业上应用得非常广泛的一种等离子体，已经应用于等离子体化学合成与分解、臭氧发生器、静电除尘、溅射制模、气相淀积、聚合和引发聚合、材料表面改性、沉积刻蚀和低温灰化等方面；同时，在燃煤烟气中的二氧化硫和氮氧化物、挥发性有机物(VOCs)和汽车尾气等环境污染物的处理方面，低温等离子体更是显示了其良好的应用前景。
低温等离子体的产生方法一般有辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频电晕放电、滑动电弧放电、大气压辉光放电技术和次大气压辉光放电技术等。在大气压下，具有工业规模的低温等离子体产生方法主要是电晕放电和无声放电。电晕放电和介质阻挡放电用在产生低温等离子体方面，各自都有自己的特点，分述如下。
电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部非自持放电。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。电晕放电对电源功率要求相对较低；若在电晕放电过程中增大极间电压，但电源功率又不够大，就会形成火花放电。电晕放电生成的等离子体空间狭小，活性粒子浓度低，且不均匀；在现有技术条件下，直流高电压电晕放电的电场强度约为10kV/cm、电子浓度小于106/cm3、电子平均能量小于1.5eV；电压窄脉冲电晕放电的电场强度约为20kV/cm、电子浓度小于107/cm3、电子平均能量低于3eV。
介质阻挡放电是一种特殊类型的气体放电，属非平衡态等离子体，其装置特征之一是它的电极(至少有一个)是被绝缘介质层所覆盖。它是一种放电着火又猝灭的暂态过程，属无声放电机理范畴，只有在交变电场作用下，放电才呈准连续工作状态。电介质的分布电容对于微放电的形成起着十分重要的镇流作用。一方面，由于电介质的存在，有效地限制了带电粒子的运动，防止了放电电流的无限制增长，从而避免了在放电间隙内形成火花放电或弧光放电；另一方面，电介质的存在可以使微放电均匀稳定地分布在整个放电空间内，便于在高气压条件下获得大体积的低温非平衡等离子体。介质阻挡放电的电场强度大于120kV/cm，电子浓度、电子平均能量分别大于1O15/cm、3eV，可以在放电间隙里形成大于400Td的强电场，电子从电场获得的平均能量大于1OeV；介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为104～1O6Pa，电源频率可从50Hz至1MHz。
由上述可见，电晕放电是一种非自持的暗放电，放电电流小，功耗低，电荷粒子在放电空间中是均匀分布的，尖端电极附近电场强度很高，易产生大量活性粒子，但形成的低温等离子体存在电子平均能量较低等缺点。而在介质阻挡强电离放电产生的低温等离子体中，电子浓度和电子平均能量分别大于1015/cm3和1OeV，可满足烟气脱硫脱硝等的需要，但其功率很小，微放电峰值电流一般小于几安培，并且介质感应加热需要消耗能量，电极间距狭窄，效率低。因此，在大气压下，电晕放电和介质阻挡放电都不是特别理想的低温等离子体产生方法。
三、发明内容
本发明提供一种产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，它产生的低温等离子体能够同时具有电晕放电等离子体和介质阻挡放电等离子体的优点。本发明的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置的构成是在组成放电装置的一对金属电极中，其中一个金属电极的任一表面带有分布均匀的小锥尖端，另一光滑金属电极的任一表面与一个绝缘介质的任一表面紧密粘合，绝缘介质的另一表面与带电小锥尖端电极的另一表面相对，此两表面之间留有均匀放电间隙，当两个金属电极与一个高频高压电源连通，并在放电间隙中存在工作气体时，放电间隙中就会形成低温等离子体。
一对金属电极包括金属平板电极和金属棒电极，绝缘介质也相应分为平板形和圆筒形。
对于平板电极，是在一块厚度为5毫米的金属板上面铣出高度为1～2毫米的多个带尖顶的小锥尖端，这些小锥尖端与相邻的其它小锥尖端的距离均为5～10毫米，将该带尖端金属板与另一块表面光滑的、同样大小的金属板平行相对放置，然后在该光滑金属板表面覆盖—层与金属板同样大小的、厚度为2毫米的平板绝缘介质，绝缘介质板与尖端的距离为1～10毫米，金属板的材料为黄铜或不锈钢等金属材料，绝缘介质材料为具有高强度、高密度、高绝缘度、高介电常数、高均匀度的电介质，一般采用玻璃、环氧、聚四氟乙烯、Al2O3等材料，当绝缘介质板与尖端之间的间隙存在工作气体，并且在两块金属板间施加高频脉冲电压时，绝缘介质板与尖端之间就会产生低温等离子体，上述的一块带尖端的金属板、一块光滑金属板、一块绝缘介质板和一个绝缘介质板与尖端之间的间隙四者就构成了多针-板装置的电晕耦合介质阻挡放电装置；如果将上述多针-板装置中的带尖端金属板变成表面带高度为1～2毫米小锥尖端的、直径为50毫米的带尖端金属棒，将光滑金属板变成内径为58～78毫米、壁厚为1～5毫米的光滑金属圆筒，将绝缘介质板变成内径为54～74毫米、壁厚为2毫米的绝缘介质圆筒，那么就构成了多针-筒装置形式的电晕耦合介质阻挡放电装置。
本发明的技术效果：①本发明中，由于电晕耦合介质阻挡放电形成的是非均匀电场，与普通装置的介质阻挡放电相比，电晕耦合介质阻挡放电的放电电压要低得多，因此，在相同的放电条件下，电晕耦合介质阻挡放电比普通装置的介质阻挡放电要强烈得多，电晕耦合介质阻挡放电生成的活性粒子要多于普通装置的介质阻挡放电生成的活性粒子，放电区域活性粒子的浓度得以提高。②本发明中，由于电晕耦合介质阻挡放电的极板上覆盖了一层高绝缘度、高介电常数的绝缘电介质薄层，因此，电晕耦合介质阻挡放电装置形成的电场比普通装置的电晕放电形成的电场要强，并且由于电介质的存在，有效地限制了带电粒子的运动，防止了放电电流的无限制增长，从而避免了在放电间隙内形成火花放电或弧光放电。因此，在高频脉冲电压作用下，电晕耦合介质阻挡放电装置的放电间隙中会产生低温等离子体，该低温等离子体产生装置具有能耗低、电子平均能量高、不易形成火花放电等优点。③本发明中，相对于普通装置的电晕放电，电晕耦合介质阻挡放电装置中电介质的存在可以使微放电均匀稳定地分布在整个放电空间内，便于在高气压条件下获得大体积的低温非平衡等离子体。
四、附图说明
图1是由平板形金属电极组成的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置示意图，其中有绝缘介质板1，放电间隙2，带尖端金属板3，光滑金属板4，高频高压电源5，气体出口6，绝缘隔板7，气体进口8。
图2是由棒形金属电极组成的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置的横截面示意图，其中有绝缘介质圆筒1，放电间隙2，带尖端金属棒3，光滑金属圆筒4，高频高压电源5。
五、具体实施方式
一种产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，工作气体从气体进口6进入到放电间隙2中，在带尖端金属板(棒)3和光滑金属板(圆筒)4间接通峰值电压为1.5万伏特，频率为3000赫兹的高频高压电源5，此时工作气体在放电间隙2中发生电离，产生兼有电晕放电和介质阻挡放电特点的低温等离子体，经过一段停留时间后，工作气体从气体出口7排出。在本实施例中，对于多针-板装置，所选带尖端金属板材料为一块表面带高度为2毫米小锥尖端、厚3毫米、长200毫米、宽100毫米的黄铜板，这些小锥尖端与相邻的其它小锥尖端的距离均为8毫米，小锥尖端是从上述原厚度为5毫米的黄铜板上铣出的，光滑金属板为一块厚5毫米、长200毫米、宽100毫米的黄铜板，绝缘介质板为厚度为2毫米的玻璃板，玻璃板与尖端的距离为2毫米；对于多针-筒装置，所选带尖端金属棒带高度为2毫米小锥尖端、直径50毫米的黄铜棒，这些小锥尖端与相邻的其它小锥尖端在圆周方向上的距离均为8毫米，小锥尖端是从上述原直径为54毫米的黄铜棒上铣出的，光滑金属圆筒为板做成内径为62毫米、壁厚为2毫米的黄铜圆筒，绝缘介质圆筒为内径58毫米、壁厚2毫米的玻璃圆筒，玻璃圆筒与尖端的距离为2毫米。
Claims (5)
1、一种产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，其特征在于，在组成放电装置的一对金属电极中，其中一个金属电极的任一表面带有分布均匀的小锥尖端，另一个光滑金属电极的任一表面与一个绝缘介质的任一表面紧密贴合，绝缘介质的另一表面与带小锥尖端电极的另一表面相对，此两表面之间留有均匀放电间隙，当两个金属电极与一个高频高压电源连通，并在放电间隙中存在工作气体时，放电间隙中就会形成低温等离子体。
2、根据权利要求1所述的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，其特征在于，带小锥尖端的电极为表面带尖端的金属平板，光滑金属电极为光滑金属平板，绝缘介质为绝缘介质平板，小锥尖端高度为1～2毫米，这些小锥尖端与相邻的其它小锥尖端的距离均为5～10毫米，绝缘介质板与尖端之间的放电间隙宽度为1～10毫米。
3、根据权利要求1所述的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，其特征在于，带小锥尖端的电极为表面带尖端的金属棒，光滑金属电极为光滑金属圆筒，绝缘介质为绝缘介质圆筒，小锥尖端高度为1～2毫米，这些小锥尖端与相邻的其它小锥尖端的圆周方向距离均为5～10毫米，绝缘介质圆筒内表面与尖端之间的放电间隙宽度为1～10毫米。
4、根据权利要求1所述的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，其特征在于，绝缘介质为具有高强度、高密度、高绝缘度、高介电常数、高均匀度的电介质，一般采用玻璃、环氧、聚四氟乙烯或Al2O3等材料。
5、根据权利要求1所述的产生低温等离子体的电晕耦合介质阻挡放电装置，其特征在于，金属电极材料为黄铜或不锈钢。
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