CN1812687A - 大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及大气压冷等离子体发生器领域，其特征在于，含有：筒型外壳、用多个单个同轴型冷等离子体发生器构成发生器阵列，该发生器阵列内置于所述的筒型外壳中；在该筒型外壳上开有射频电源接入口和冷等离子体工作气进入口；各单个冷等离子体发生器的内电极并联后接射频电源，而外电极并联后接地，并且开有侧向或轴向工作气入口；在该筒型外壳上还可开有冷却介质进出口。本申请可方便地产生大面积、均匀稳定的冷等离子体射流，该射流的面积也可按选择单个冷等离子体发生器的数量不同进行调整。

Description

大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器

技术领域

本发明属于大气压冷等离子体发生器，尤其涉及阵列型大气压冷等离子体发生器领域。

背景技术

虽然目前在低气压条件下可以产生大面积的非平衡冷等离子体，但真空腔的存在，一方面使得设备的制造和维护费用大大增加，另一方面也限制了被处理工件的几何尺寸，从而极大地限制了其应用范围。目前，在大气压条件下能够产生的等离子体有两种，一种是热等离子体，其特征是气体温度往往很高，大约10000K量级，主要用于等离子体喷涂、切割、焊接、废物处理、材料表面加工等领域。由于热等离子体温度很高，因此，对于畏热材料，不能采用其进行处理；另一种是冷等离子体，其特征是气体温度很低(接近室温)，但电子温度很高，因此具有很高的化学活性，属于非平衡等离子体。但目前在大气压条件下产生冷等离子体的方法主要是电晕放电、介质阻挡放电等。采用上述方法产生的冷等离子体往往面积比较小，而且空间分布上很不均匀。近些年提出的大气压射频辉光放电冷等离子体技术，可以在大气压条件下产生比较大面积的均匀放电的冷等离子体。大气压射频辉光放电冷等离子体技术由于摆脱了昂贵、复杂的真空系统的限制，在微电子工业、核工业(核废料处理)、生物医学领域、军事领域、甚至在保障国家安全等诸多领域都将有着非常广阔的应用前景，如等离子体刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材料表面改性、清除生化有机物、放射性废料处理或者清洗放射性沾染的表面、热电厂和某些化工厂的脱硫、脱硝、汽车尾气处理、医疗器械的快速消毒灭菌、制药和食品行业的消毒、食品保鲜、皮肤病治疗等。

当该技术采用同轴型结构设计时，气体沿流动方向的放电区域比较长，冷等离子体束流比较集中，但束流直径比较小(一般小于10mm)；若采用平板型结构设计且流动方向与板面垂直，虽然可以产生多束冷等离子体射流，从而使得冷等离子体射流的总体直径变大，但沿气体流动方向的放电区域较短(平板间距一般在0.1-3mm)，且所形成的冷等离子体射流在空间分布上不够均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的大气压射频放电冷等离子体阵列发生器，能在大气压下稳定工作并能沿气流流动方向产生大面积的冷等离子体射流。该阵列型冷等离子体发生器将为提高等离子体工作效率，实现大面积、快速高效等离子体刻蚀、薄膜沉积、生化清洗、消毒灭菌、空气净化、废物处理、疾病治疗、材料表面改性等成为可能。

为了达到上述目的，本发明提供一种新型的大气压射频冷等离子体阵列发生器，包括一筒型外壳，该外壳用于将单个的同轴结构封装成阵列。在原型装置中，阵列由三个相同的同轴发生器构成，采用一个四通转接口向三个同轴发生器分别供气；三个同轴发生器的内电极并联在一起与射频电源连接，外电极共地；从外壳尾部通入冷却气体，达到冷却外电极、控制外电极温度的目的。

本发明的特征在于：所选阵列发生器含有：

筒型外壳，在壳体上有射频电源连接口、冷等离子体工作气体入口以及冷却介质(气体或液体)的进出口(如果需要)：

用多个单个的同轴型冷等离子体发生器组成的发生器阵列，封装于所述筒型外壳内，所述各单个的冷等离子体发生器含有：

内电极，所述各冷等离子体发生器的内电极并联后接射频电源；

绝缘支座，外套于所述的内电极的电源端；

外电极，外套于所述绝缘支座外，在外电极的侧向或者轴向有冷等离子体工作气进入口；所有各冷等离子体发生器的外电极并联后接地。

在所述外壳的壳体上开有冷却介质(气体或液体)进出口(如果需要)。

所述射频电源的频率为13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0，气体被击穿时的电压均方根值通常为100～1000伏。

所述筒型外壳是圆柱形、或方形、或椭圆形。

所述的各单个冷等离子体发生器是圆柱形、或方形、或椭圆形。

在所述阵列发生器前端有一个缩放型喷嘴。

在每个冷等离子体发生器前端的冷等离子体出口有一个缩放型喷嘴。

当所述筒型外壳用金属材料时，所述各单个冷等离子体发生器的各外电极经所述筒型外壳接地。

本申请具有以下优点：

(1)采用射频电源在大气压下形成均匀、稳定、大面积的射频放电冷等离子体射流，大大提高了等离子体的工作效率。

(2)喷出的射流温度较低，通常小于100摄氏度。

(3)射流中含有大量的活性粒子或粒子基团。

(4)不但能用氦气或者氩气作为工作气体，还可以添加适当比例的其它反应气体或液体成分。

(5)采用13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0的射频电源来激励放电，击穿电压的均方根值通常为100～1000伏，而工作在千赫兹频率量级的介质阻挡放电的击穿电压均方根通常都在千伏量级(或更高)。

(6)可以根据需要灵活扩展，方便地实现冷等离子体的大面积应用。

(7)可以根据具体情况选择气冷或者水冷。

(8)采用封装的结构便于实际应用。

本发明采用阵列冷等离子体发生器结构设计，可以方便地产生大面积、均匀稳定的冷等离子体射流。通过选择单个冷等离子体发生器的数量，可以方便地控制喷出射流的面积；而在此基础上采用缩放型通道结构设计，还可以进一步提高发生器出口冷等离子体射流的速度，增加冷等离子体射流中活性粒子的有效空间作用范围。因此，该项技术的提出将大大地推动冷等离子体技术在等离子体刻蚀、薄膜沉积、生化清洗、消毒灭菌、空气净化、废物处理、疾病治疗、材料表面改性等领域的实际应用，显示其高效、快速的处理能力。

附图说明

图1.本发明所述冷等离子体阵列发生器的外壳示意图：

11：纵剖视图；

12：侧视图；

13：横剖视图；

图2.侧向进气的单个同轴型冷等离子体发生器的的纵剖视图；

图3.侧向进气的、采用缩放型通道结构的单个同轴型冷等离子体发生器的纵剖视图；

图4.侧向进气的、外形为方形的单个同轴型冷等离子体发生器的示意图：

41：纵剖视图；

42：横剖视图；

图5.侧向进气的、外形为方形的、采用缩放型通道结构的单个同轴型冷等离子体发生器的示意图；

51：纵剖视图；

52：横剖视图；

图6.轴向进气的、外形为方形的单个同轴型冷等离子体发生器的示意图；

61：纵剖视图；

62：横剖视图；

图7.轴向进气的、外形为方形的、采用缩放型通道结构的单个同轴型冷等离子体发生器的示意图；

图8.三个侧向进气的同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器的示意图：

81：纵剖视图；

82：横剖视图；

图9.三个侧向进气方式的、采用缩放型通道结构的同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图；

图10.采用侧向进气方式的、外形为圆柱的、由三个同轴型的大气压射频放电冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器的示意图：

1010：纵剖视图；

1011：横剖视图；

图11.采用轴向进气方式的、外形为方形的、由多个同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器在不加外壳时的示意图：

111：纵剖视图；

112：横剖视图；

图12.采用轴向进气的、采用缩放型通道结构的、外形为方形的多个同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器在不加外壳时的示意图：

121：纵剖视图；

122：横剖视图；

图13.采用轴向进气方式的、外形为圆柱的多个同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器的示意图：

131：纵剖视图；

132：横剖视图。

具体实施方式：

图1～13给出了该同轴型大气压射频放电冷等离子体阵列发生器的几种典型设计。

图1为外壳结构示意图，其中标号为11、12、13的三副图分别表示正面、左侧和俯视的示意图。101表示冷等离子体工作气入口，102表示冷却气入口，103表示射频电源连接处。

图2为采用侧向进气方式的、外形为圆柱形的单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器结构示意图。201表示与射频电源连接的内电极，202表示绝缘支座，203表示冷等离子体工作气入口，204表示外电极。

图3为采用侧向进气方式的、外形为圆柱形的、采用缩放型通道结构设计的单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器结构示意图。205表示与单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器相连接的缩放型通道。

图4为采用侧向进气方式的、外形为方形的单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器结构示意图，41、42分别表示正面和俯视示意图。301表示绝缘支座，302表示冷等离子体工作气入口，303表示外电极。

图5为采用侧向进气方式的、外形为方形的、采用缩放型通道结构的单个同轴型冷等离子体发生器的示意图，其中标号51、52分别表示正面和俯视示意图。

图6为采用轴向进气的、外形为方形的单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器结构示意图，其中标号61、61分别表示正面和俯视示意图，304表示轴向进气通道。

图7为采用轴向进气的、外形为方形的、采用缩放型通道结构设计的单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器结构示意图，其中标号71、72分别表示正面和俯视示意图。

图8为采用侧向进气方式的、外形为圆柱的、由三个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图，其中标号81、82分别表示正面和俯视示意图，1表示外壳，4表示单个同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器。

图9为采用侧向进气方式的、外形为圆柱的、采用缩放型通道结构的同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图，其中标号91、92分别表示正面和俯视示意图，5表示采用缩放型通道结构设计的单个同轴型冷等离子体发生器。

图10为采用侧向进气方式的、外形为圆柱的、由三个同轴型的大气压射频放电冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器的示意图，并在其外壳上加装了缩放型通道，其中标号1010、1020分别表示正面和俯视示意图，401表示与外壳相连接的缩放型通道。

图11为采用轴向进气方式的、外形为方形的、由多个同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器在不加外壳时的示意图，其中标号111、112分别表示正面和俯视示意图，6表示采用轴向进气方式的、外形为方形的单个同轴型冷等离子体发生器。

图12为采用轴向进气的、采用缩放型通道结构的、外形为方形的多个同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器在不加外壳时的示意图，其中标号121、122分别表示正面和俯视示意图，7表示采用轴向进气方式的、外形为方形的同轴型冷等离子体发生器。

图13为由多个采用轴向进气方式的、外形为圆柱的、采用缩放通道结构设计的同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器的示意图，其中标号131、132分别表示正面和俯视示意图，8表示采用轴向进气方式的、外形为圆柱的同轴型冷等离子体发生器。

Claims (8)

1.大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，所选阵列型发生器含有：

筒型外壳，在壳体上有射频电源连接口以及冷等离子体工作气体入口：

用多个单个的同轴型冷等离子体发生器组成的发生器阵列，封装于所述筒型外壳内，所述各单个的冷等离子体发生器含有：

内电极，所述各冷等离子体发生器的内电极并联后接射频电源；

绝缘支座，外套于所述的内电极的电源端；

外电极，外套于所述绝缘支座外，在外电极的侧向或者轴向有冷等离子体工作气进入口；所有各冷等离子体发生器的外电极并联后接地。

2.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，在所述外壳的壳体上开有冷却介质进出口。

3.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，所述射频电源的频率为13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0，气体被击穿时的电压均方根值通常为100～1000伏。

4.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，所述筒型外壳是圆柱形、或方形、或椭圆形。

5.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，所述的各单个冷等离子体发生器是圆柱形、或方形、或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，在所述阵列发生器前端有一个缩放型喷嘴。

7.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，在每个冷等离子体发生器前端的冷等离子体出口有一个缩放型喷嘴。

8.根据权利要求1所述的大气压射频放电高速冷等离子体阵列发生器，其特征在于，当所述筒型外壳用金属材料时，所述各单个冷等离子体发生器的各外电极经所述筒型外壳接地。

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