CN210868290U - 一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置 - Google Patents
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Abstract
一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，属于大气压低温等离子体应用技术领域。上、下电极分别粘在微孔陶瓷介质板的上表面和陶瓷介质板的下表面；上、下电极各粘有铝箔条，铝箔条作为连接电极的接口，上电极连接外界纳秒脉冲电源的高压端；下电极与纳秒脉冲电源的接地端连接；水电阻的两端分别与纳秒脉冲电源的高压端和接地端连接；所述的微孔陶瓷介质板的中心开通微孔；上、下介质板的四个顶角位置处设置垫片，且四个顶角处均开设通孔，带有螺纹的尼龙螺杆依次穿过上微孔陶瓷介质板、垫片、下陶瓷介质板，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母固定。本实用新型能够在5‑10mm的空气间隙下产生均匀介质阻挡放电。
Description
技术领域
本实用新型属于大气压低温等离子体应用技术领域，涉及一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置及使用方法。
背景技术
气体放电产生的低温等离子体在材料表面处理、薄膜沉积、消毒杀菌、废气处理、等离子显示等方面有很好的应用前景，尤其是它能产生臭氧以及降解汽车尾气中的有害气体，从而展示出很好的经济以及环保效益。气体放电产生的低温等离子体根据气压可以大概分为低气压放电等离子体和高气压(可以达到一个大气压及以上)放电等离子体。对于大规模工业生产来说，通过低气压放电产生等离子体由于必须维持在低气压状态，需要真空设备，难以实现流水线连续生产。因此从工业应用角度来说，更需要在大气压条件下产生低温等离子体。
大气压下产生低温等离子体的方式主要有电晕放电、介质阻挡放电和电弧放电。这三种放电比较而言，电晕放电很弱且产生的活性粒子的效率太低，因此不合适工业应用；而电弧放电正好与之相反，放电很强，能量密度很高，因此很容易损伤薄的或者比较脆弱的工件；与前两种放电相比，介质阻挡放电由于等离子体电子温度和等离子体密度适中，更适合应用于材料的表面处理(表面改性，薄膜沉积以及刻蚀等)、等离子体医学(医疗器械的清洗和消毒、口腔清洁、促进伤口愈合、肿瘤缩小)、等离子体照明(紫外及真空紫外光源、平板显示器)以及环保领域(臭氧产生、自来水杀菌、废弃处理)等领域。
大气压介质阻挡放电通常呈现为丝状放电，放电区域由大量自由移动的放电细丝组成，这样的丝状放电难以对材料表面进行均匀改性，且若放电细丝局部能量密度过高会灼伤材料的表面，因此，最适合用来对薄膜、纺织品以及纤维等材料进行处理的是利用介质阻挡放电产生大面积均匀放电。除此之外，有研究表明大气压均匀放电比丝状放电产生活性粒子的效率更高。从而大气压均匀放电是更加经济，更加有效地产生适于工业应用的等离子体的主要手段。
目前，大气压均匀放电的产生主要集中在惰性气体以及氮气中，这不仅增加了生产成本还由于需要密闭的工作环境降低了生产效率。因此最适合大规模工业应用的是在大气压空气中产生大间隙、大面积的均匀放电。然而由于空气的击穿电压高以及由空气中压力、湿度、温度等的波动造成的不稳定性，限制了大气压大间隙下均匀放电的形成。在近20年的研究中，大气压空气均匀放电产生的最大间隙不超过4mm。当间隙大于5mm时，在大气压空气中的放电总是丝状放电。
而本申请采用微孔介质阻挡放电结构，能够在5-10mm范围内产生大面积均匀放电等离子体，在工业化应用中发挥着一定的优势。
本申请与2017年“一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法”的专利相比，虽然都能够在大间隙下(5-10mm)产生均匀放电等离子体，但实验装置以及实验条件是不同的。2017年专利“一种大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体的装置及使用方法”的实验装置包括上电极、上介质板、下电极、下介质板、金属柱、风道系统和纳秒脉冲电源。均匀放电必须在纳秒脉冲电源激励下的介质阻挡放电装置(上电极、上介质板、下电极和下介质板)的间隙加入一根金属柱，且必须在有气流的条件下才能产生。然而本申请的实验装置比较简单仅包括上电极、上微孔介质板、下电极、下介质板和纳秒脉冲电源。均匀放电的产生仅仅是在纳秒脉冲电源激励下的介质阻挡放电装置(上电极、上介质板、下电极和下介质板)的上介质板的中心打一个微孔就可以实现。这种均匀放电不需要在放电间隙引入金属柱，更不需要在放电间隙引入气流。实验装置放在周围的空气中，只要启动电源就可以实现均匀放电。这大大的简化了工业应用的难度，具有广泛的应用前景。
实用新型内容
针对现有技术不能在大于5mm的空气间隙下产生均匀介质阻挡放电的困难和局限，本实用新型提供一种大气压空气介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置及使用方法。
本实用新型的技术方案为：
一种大气压空气介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，该装置能够在5-10mm的空气间隙下产生均匀介质阻挡放电；包括上电极、上微孔介质板、下电极、下介质板和纳秒脉冲电源；其中，上、下电极结构对称。
所述的上、下电极均为方形铝箔4，上介质板为微孔陶瓷介质板5，下介质板为陶瓷介质板6；上、下电极分别粘在微孔陶瓷介质板5的上表面和陶瓷介质板6的下表面，且在上、下电极周围贴上绝缘胶带；上、下电极各粘有铝箔条，铝箔条作为连接电极的接口，上电极作为高压电极，连接外界纳秒脉冲电源的高压端；下电极作为接地电极，与纳秒脉冲电源的接地端连接；水电阻的两端分别与纳秒脉冲电源的高压端和接地端连接；所述的微孔陶瓷介质板5中心开通微孔3；
所述的上、下介质板之间的四个顶角位置处设置垫片2，且四个顶角处均开设通孔，带有螺纹的尼龙螺杆依次穿过上微孔陶瓷介质板5、垫片2、下陶瓷介质板6，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母1固定；所述的垫片2为绝缘材料。
上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙通过垫片2的个数进行调整，放电间隙在1-15mm范围可调。
所述的垫片2为云母片或尼龙片。
所述的方形铝箔4的四个顶角为弧形。
所述的水电阻为使用216μS/cm电导率循环自来水的可调节无感电阻，用来回路匹配；所述的纳秒脉冲电源电压幅值根据放电间隙确定，所述的脉冲电源的电压幅值为20kV～40kV。
采用上述的装置得到大气压空气中大间隙、大面积的均匀介质阻挡放电等离子体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，连接并固定实验装置；
第二步，连接电路：上电极连接纳秒脉冲电源的高压端，下电极连接纳秒脉冲电源的接地端，水电阻的两端分别接纳秒脉冲电源的高压端和接地端，水电阻与实验装置并联；
第三步，设定纳秒脉冲电源的重复频率：1200Hz，1000Hz和600Hz；
第四步，大气压空气中，启动纳秒脉冲电源，在装置的放电间隙产生大间隙、大面积的均匀介质阻挡放电等离子体，实现在5-10mm的空气间隙下产生均匀介质阻挡放电。
人为的拍摄放电图像作为实验现象保存，待实验结束后，根据数码相机以及高速相机拍摄的图片选取一张作为放电图像，分析均匀放电形成的物理机制。
采用上述装置得到大气压下，大间隙，大面积的空气均匀介质阻挡放电等离子体。通过这种装置和方法，目前本实用新型使用的幅值最大是40kV，上升沿是40ns，半峰宽是200ns的纳秒脉冲电压可以达到10mm空气间隙的均匀放电，这一实用新型是现有介质阻挡放电实验研究进展的一项突破，攻克了在空气间隙大于5mm时，不能实现空气均匀放电的一大难题。
因此，这项实用新型在工业应用领域具有很大的应用价值，会受到很大的关注。
而在本实用新型的基础上，在空气中实现更大面积均匀放电也有相对应的方法：通过在上陶瓷介质板上打多个微孔，并且通过调节微孔之间的距离可以扩大均匀放电的面积。目前研究表明微孔之间的距离为30mm，是能够产生最大面积的均匀放电。本实用新型的另外一个优点是实验中产生这种均匀放电的条件比较简单，不需要额外的辅助条件，仅需要在上介质板打一个微孔，并且微孔的孔径也不是唯一的，目前40-100μm的孔径都可以实验这种均匀放电。因此，本实用新型在工业领域比如说材料的表面处理、薄膜沉积、废气处理、等离子体医学和环境保护等方面具有很大的应用价值。
本实用新型的有益效果为：本实用新型能实现在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀放电等离子体，将上介质板打一个微孔，在纳秒脉冲电源的激励下就可以形成一种在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀介质阻挡放电等离子体。此方法对实现大气压空气均匀放电提供了一种途径，对工业应用领域具有意义。
附图说明
图1为平板电极装置的正视图；
图2为平板电极装置的俯视图；
图3为放电装置电路连接示意图；
图4为实验装置示意图，其中(a)为上介质板无微孔放电装置；(b)为上介质板有微孔放电装置；
图5为两种放电结构的放电图像，其中(a)为上介质板无微孔放电图像；(b)为上介质板有微孔放电图像，曝光时间为1/1000s；
图6为不同微孔下的放电图像，其中从上往下依次为40μm，60μm，80μm，和100μm；
图7为不同脉冲重复频率下的60μm微孔介质阻挡放电图像，其中从上往下依次为1200Hz，1000Hz，600Hz，300Hz和100Hz；
图8为微孔孔径为60μm的连续单周期放电图像。从上往下依次为第一个放电周期，第二个放电周期，直到第70个放电周期；
图9为一个微孔以及两个不同距离微孔的放电图像。其中(a)为一个微孔；(b)为两个微孔，两个微孔间的距离为10mm；(c)为两个微孔，两个微孔之间的距离为30mm；
图中：1尼龙螺母；2垫片；3微孔；4铝箔电极；5微孔陶瓷上介质板；6陶瓷下介质板。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型做进一步阐述。
一种大气压空气介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，该装置包括上电极，上微孔介质板，下电极，下介质板和纳秒脉冲电源。其中，上下电极结构对称。
上、下电极为两个尺寸相同的方形铝箔4，方形铝箔4的四个顶角为弧形，用于避免尖端放电。一个方形铝箔4粘在有一个微孔的陶瓷介质板5的上表面，另一个方形铝箔4粘在陶瓷介质板6的下表面，并用绝缘胶带贴在铝箔4的周围，为了防止边缘效应对放电的不利影响。上微孔陶瓷介质板和下陶瓷介质板的四个顶角处均有一个通孔，用于放置带有螺纹的尼龙螺杆，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母1拧紧，上微孔陶瓷介质板5和下陶瓷介质板6之间放置具有精确厚度1mm或者2mm的云母片2的个数来调节放电间隙的高度。上、下介质板之间的距离为放电间隙，调节放电间隙为7mm。上、下电极各粘有铝箔条，铝箔条作为连接电极的接口，上电极作为高压电极，与纳秒脉冲电源的高压端连接；下电极作为接地电极，与纳秒脉冲电源的地线连接。将阻值约为1000Ω的水电阻的两端分别与纳秒脉冲电源的高压端和接地端连接。
采用上述装置得到大气压空气中大间隙、大面积的均匀介质阻挡放电等离子体的使用方法，包括以下步骤：
第一步，固定实验装置。
第二步，连接电路。上电极连接纳秒脉冲电源的高压端，下电极连接纳秒脉冲电源的接地端，水电阻的两端分别接纳秒脉冲电源的高压端和接地端。水电阻与实验装置并联。
第三步，调节纳秒脉冲电源的电压幅值为35kV,设定纳秒脉冲电源的重复频率为1000Hz。
第四步，大气压空气中，启动纳秒脉冲电源，在放电间隙产生放电。在7mm放电间隙下得到大面积的均匀介质阻挡放电等离子体。人为的拍摄放电图像作为实验现象保存，待实验结束后，根据数码相机以及高速相机拍摄的图片选取一张作为放电图像，分析均匀放电形成的物理机制。
第五步，调整实验装置，在上陶瓷介质板打两个微孔，微孔直径为60μm，微孔距离为30mm，重复上述步骤，发现也得到了大气压空气中均匀放电等离子体，并且均匀放电面积得以扩展。
为了证明本实用新型可以实现预期效果，并且为了突出本实用新型产生的有益效果，在实验中对两个放电结构(无微孔和有微孔)进行了对比研究：
实验参数：脉冲重复频率可调节范围为1200Hz，1000Hz和600Hz。均匀放电可在5-10mm放电间隙内产生。为了简化重复的实验现象，现以采用中间参数脉冲频率为1000Hz，放电间隙7mm为例：现用峰值电压为33kV，上升沿为40ns，半峰宽为200ns的纳秒脉冲电源分别去激励传统的无微孔介质阻挡放电和有微孔介质阻挡放电。上、下电极均为30×30mm2的方形铝箔，介质板均为80×80mm2陶瓷板。为了避免尖端放电，方形铝箔的四个顶角剪为弧形，两个方形铝箔作为电极分别粘在上介质板的上表面和下介质板的下表面。上、下电极各粘有铝箔条，铝箔条作为连接电极的接口，上电极作为高压电极，与纳秒脉冲电源的高压端连接；下电极作为接地电极，与纳秒脉冲电源的地线连接。将阻值约为1000Ω的水电阻的两端分别与纳秒脉冲电源的高压端和接地端连接。有效的放电区域为30×30mm2。实验简化装置如图4所示。
两个放电结构图4中的(a)和(b)的唯一区别就是在上陶瓷介质板有没有一个微孔，微孔的直径为40-100μm。这里以60μm为例。图4中的(a)为上陶瓷介质板没有微孔；图4中的(b)为上陶瓷介质板有微孔。采用尼康D7000数码相机拍摄两个放电结构的放电图像，如图5所示。图5中的(a)为上介质板没有微孔的放电图像；图5中的(b)为上介质板有微孔的放电图像。曝光时间为1/1000s，即脉冲的单个放电周期。
从图5中可以看到，在大气压静态空气中，在上介质没有微孔的放电为丝状放电，然而上介质板有微孔的放电则是，在微孔的位置形成了强放电，在其余区域形成了稳定的均匀放电。
利用这种微孔介质阻挡放电产生的均匀放电对微孔的要求并不苛刻。现在分别以微孔的直径分别为40μm，60μm，80μm和100μm为例，放电图像如图6所示。从图6中可以看到，无论微孔的直径是40μm，60μm，80μm还是100μm，都可以发现在微孔的位置是一个丝状放电，在其余的区域为均匀放电。在目前的研究范围内，发现微孔的孔径在40-100μm范围内的都可以实现大气压空气中大间隙下的均匀放电。
除此之外，研究还表明，脉冲重复频率对微孔介质阻挡放电中均匀放电的形成是有影响的。不同脉冲重复频率的放电图像如图7所示，这里上介质板微孔的孔径为60μm。脉冲重复频率为1200Hz，1000Hz，600Hz，300Hz和100Hz的放电图像的曝光时间分别为1/1200s，1/1000s，1/600s，1/300s和1/100s。从图7中可以看到，当脉冲频率为1200Hz，1000Hz和600Hz时，在微孔处形成一个强放电，在其余的区域为均匀放电。然而在脉冲频率为300Hz和100Hz时，在微孔处形成一个较弱的放电，同时在周围区域没有均匀放电的形成，仍然是细密的丝状放电。我们分析认为均匀放电的产生和微孔处的强放电是有密切关系的。在微孔处形成一个较强的放电，就能够在周围区域形成均匀放电；然而当微孔处的放电较弱(300Hz和100Hz)，甚至没有这个局域强放电的时候(无微孔)，没有均匀放电的形成。
为了探究均匀放电是怎么产生的，采用高速相机Phantom V1610拍摄从放电起始到放电稳态的连续单周期放电图像。在本申请说明书中只用脉冲频率为1000Hz，微孔的孔径为60μm，放电间隙为7mm的放电演化做一个陈述，演化过程如图8所示，每张图片的曝光时间为1/1000s。图8为微孔DBD侧面单周期演化过程。1T表示的是放电的第一个周期，2T表示的是放电的第2个周期，以此类推。
从图8中可以看出，当放电开始时，在整个放电间隙均为丝状放电，在微孔位置处的丝放电较强，周围的丝状放电较弱。随着放电的发展，微孔位置处的放电越来越强，排斥着周围的丝状放电向两侧运动。随着放电的进一步发展，大量的丝状放电在两侧弥合成均匀放电，最终形成在微孔位置处为强放电，周围区域为均匀放电。综合以上，我们也可以得到结论：只有当微孔处的放电足够强的时候，才能对周围的放电产生影响，促使周围的丝状放电弥合成均匀放电。
在以上实验的基础之上，如果想在空气中实现更大面积的均匀放电，也有相对应的方法即通过在上介质板打多个微孔。
实验条件与上述保持一致，脉冲频率为1000Hz，微孔的孔径为60μm，放电间隙为7mm。只是将上、下电极铝箔的尺寸变大。在实验中与一个微孔，两个微孔的距离是10mm和两个微孔的距离是30mm条件下相对应的上、下电极铝箔的尺寸分别是30×30mm2，40×40mm2和60×60mm2。实验现象如图9所示，图9中的(a)为一个微孔的放电图像。我们可以看到一个微孔使30×30mm2区域产生均匀放电；图9中的(b)为两个微孔之间的距离为10mm的放电图像；图9中的(c)为两个微孔之间的距离为30mm的放电图像，通过比较，可以得出结论：
(1)通过在上介质板多打一个微孔，均匀放电的面积就可以得到扩展；
(2)通过调整两个微孔之间的距离，发现两个微孔之间的距离为30mm是最合适产生最大均匀放电面积。
这是在上介质板打两个微孔的情况。如若在工业应用中，需要更大面积的均匀放电，则可以在上介质板增加微孔的数量(微孔阵列)来达到大间隙、大面积均匀放电的目的。
综上所述，本实用新型可以实现并达到预期的大间隙、大面积的均匀放电的效果。
采用上述装置得到大气压空气中大间隙、大面积均匀介质阻挡放电等离子体的一个优点是实验条件并不苛刻。在典型具有上电极、上介质板、下电极和下介质板的介质阻挡放电装置的基础之上，在上介质板打一个微孔，不需要任何的外加条件就可以实现大气压空气中的大间隙、大面积的均匀放电等离子体。实验结构简单，不需要密闭的工作腔室，而且对微孔的大小要求并不唯一，加工方便。这种均匀放电随着时间是稳定存在的。
在此基础上，在空气中实现更大面积均匀放电也有相对应的方法：通过在上陶瓷介质板上打多个微孔，并且通过调节微孔之间的距离可以扩大均匀放电的面积。目前研究表明微孔之间的距离为30mm，是能够产生最大面积的均匀放电。目前40-100μm的孔径都可以实验这种均匀放电。因此，通过本实用新型可以实现在大气压空气中产生大间隙、大面积均匀等离子体。这种大体积的均匀放电等离子体在工业领域比如说材料的表面处理、薄膜沉积、废气处理、等离子体医学和环境保护等方面具有很大的应用价值。
Claims (8)
1.一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，该装置能够在5-10mm的空气间隙下产生均匀介质阻挡放电；包括上电极、微孔上介质板、下电极、下介质板和纳秒脉冲电源；其中，上、下电极结构对称；
所述的上、下电极均为方形铝箔(4)，上介质板为微孔陶瓷介质板(5)，下介质板为陶瓷介质板(6)；上、下电极分别粘在微孔陶瓷介质板(5)的上表面和陶瓷介质板(6)的下表面，且在上、下电极周围贴上绝缘胶带；上、下电极各粘有铝箔条，铝箔条作为连接电极的接口，上电极作为高压电极；连接外界纳秒脉冲电源的高压端；下电极作为接地电极，与纳秒脉冲电源的接地端连接；水电阻的两端分别与纳秒脉冲电源的高压端和接地端连接；所述的微孔陶瓷介质板(5)中心开通微孔(3)；
所述的上、下介质板之间的四个顶角位置处设置垫片(2)，且四个顶角处均开设通孔，带有螺纹的尼龙螺杆依次穿过微孔陶瓷介质板(5)、垫片(2)、下陶瓷介质板(6)，尼龙螺杆两端通过尼龙螺母(1)固定；所述的垫片(2)为绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，上、下介质板之间的距离为放电间隙，放电间隙通过垫片(2)的个数进行调整，放电间隙在1-15mm范围可调。
3.根据权利要求1或2所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，所述的垫片(2)为云母片或尼龙片。
4.根据权利要求1或2所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，所述的方形铝箔(4)的四个顶角为弧形。
5.根据权利要求3所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，所述的方形铝箔(4)的四个顶角为弧形。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，所述的水电阻为使用216μS/cm电导率循环自来水的可调节无感电阻，用来回路匹配；所述的纳秒脉冲电源电压幅值根据放电间隙确定，所述的脉冲电源的电压幅值为20kV～40kV。
7.根据权利要求3所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，所述的水电阻为使用216μS/cm电导率循环自来水的可调节无感电阻，用来回路匹配；所述的纳秒脉冲电源电压幅值根据放电间隙确定，所述的脉冲电源的电压幅值为20kV～40kV。
8.根据权利要求4所述的一种大气压介质阻挡放电产生均匀空间等离子体的装置，其特征在于，所述的水电阻为使用216μS/cm电导率循环自来水的可调节无感电阻，用来回路匹配；所述的纳秒脉冲电源电压幅值根据放电间隙确定，所述的脉冲电源的电压幅值为20kV～40kV。
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