CN219019097U - 一种小型两用平面大气压等离子体放电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及等离子体应用领域中的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，包括相对间隔设置在光学平台上的上电极组件和下电极组件，上电极组件和下电极组件之间预留有放电间隙；下电极组件包括下电极座，设置在下电极座上的电极一，电极一上敷设有介质片一，上电极组件包括上电极座，设置在上电极座上的电极二，电极二上敷设有介质片二。本实用新型的一种结构简单、小巧便携、放电稳定的小型两用平面大气压等离子体放电装置，能够处理绝缘体或金属体，拥有简易且可拆卸的气路结构，流动的气体便于散热。

Description

一种小型两用平面大气压等离子体放电装置

技术领域

本实用新型涉及等离子体应用领域，尤其涉及一种小型两用平面大气压等离子体放电装置。

背景技术

大气压等离子体通常需要由外加电场电离工作气体来产生，而研制出一种灵活、简单、低成本、能应用于诸多场合并能产生大面积等离子体的放电装置，一直以来都是国内外大气压等离子体领域的科学家的主要研究方向。

目前,应用最为广泛的两类放电装置分别为大气压等离子射流（Plasmajet）装置与大气压平面介质阻挡放电（Dielectricbarrierdischarge，DBD）装置。大气压等离子射流是一种在小管内电离工作气体，并通过工作气体的气流将产生的等离子体带出小管外的装置，其发展最早可追溯至1992年，Koinuma等人采用13.56MHz射频电源，以He为工作气体，研制了一种直径小于2mm的常压等离子体微束。大气压等离子体射流的电极有针状、管状、小孔、环状等结构，等离子体射流长度一般在10mm-20mm左右，最长可达40mm，射流装置虽然拥有着能将等离子体吹出反应区之外、待处理样品的形状不受限制的优点，但是，这种装置的缺点较为明显，例如：射流的管径往往较小，一般内径不超过5mm，当管径过大时，等离子体便会在紧贴管内壁处产生，而管中心不会产生等离子体从而变为中空状态；其次，面对金属导电样品，此种装置极易产生电弧，导致样品损坏，因此，这种装置往往只能处理绝缘样品；最后，这种装置通常在开放空间使用，很多高精尖样品在处理时需要在特定环境下，或特定气体氛围中，这就导致射流无法处理此类样品。

大气压平面介质阻挡放电装置是一种在两个或多个平行电极之间插入绝缘介质并通过外加电场电离工作气体从而产生等离子体的装置，插入绝缘介质的作用是限制放电电流从而让放电温度更低。此种装置的研究历史更为悠久，Siemens等人于1857年首次将此类装置应用于制备臭氧的实验，这种装置最大的优点是能够产生大面积等离子体，且等离子体放电十分稳定，然而，此类装置也有着较大的缺陷。首先，大多数的大气压平面介质阻挡放电装置结构复杂，装置笨重，无法做到便携、轻量化；其次，大多数的大气压平面介质阻挡放电装置缺失气路相关的设计，因此无法按需求选择工作气体，只能电离空气；再者，大多数的大气压平面介质阻挡放电装置只能在开放环境下工作，无法建立特定的气体氛围；最后，大多数的大气压平面介质阻挡放电装置缺少散热系统，长时间工作时热量会累积，导致处理样品损坏。

发明内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供了一种结构简单、小巧便携、放电稳定的小型两用平面大气压等离子体放电装置，能够处理绝缘体或金属体，拥有简易且可拆卸的气路结构，流动的气体便于散热。

为实现以上目的，本实用新型公开了一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，包括相对间隔设置在光学平台上的上电极组件和下电极组件，上电极组件和下电极组件之间预留有间距可调的放电间隙；下电极组件包括下电极座，设置在下电极座上的电极一，电极一上敷设有介质片一，上电极组件包括上电极座，设置在上电极座上的电极二，电极二上敷设有介质片二。

本实用新型一个较佳实施例中，光学平台包括安装架，以及设置在安装架上的纵向位移平台，纵向位移平台上设置有纵向轨道，纵向轨道上滑动设置有一对相向设置的光学直角板，光学直角板通过锁定组件限位安装在纵向轨道上，一对光学直角板上分别安装有上电极组件和下电极组件。具体的，上电极组件和下电极组件能通过纵向轨道上的光学直角板相对位移，调整放电间隙的间距。

本实用新型一个较佳实施例中，上电极组件和下电极组件之间设置有可拆卸式气体腔室，且至少部分电极一和电极二位于可拆卸式气体腔室的腔体内，且可拆卸式气体腔室上设置有若干个气管接头，气管接头将工作气体引入腔体内。

本实用新型一个较佳实施例中，可拆卸式气体腔室包括中空玻璃框架，中空玻璃框架与下电极座和上电极座之间形成腔体；

中空玻璃框架的下部与下电极座上的嵌槽吻合对接；中空玻璃框架的上部与上电极座嵌设对接，或/和，上电极座从中空玻璃框架的上部嵌设对接入中空玻璃框架内。

本实用新型一个较佳实施例中，下电极座与上电极座相向的一侧设置有收纳槽一，收纳槽一内设置有介质片一，介质片一与收纳槽一之间还设有电极一；或/和，上电极座与下电极座相向的一侧设置有收纳槽二，收纳槽二内设置有介质片二，介质片二与收纳槽二之间还设有电极二。

本实用新型一个较佳实施例中，电极一和电极二分别通过下电极输入线和上电极输入线与外部电源连接，外部电源可以采用直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或多种；或/和，光学平台采用的是金属支架，且光学平台还通过接地线桩接地；或/和，下电极座上设置有线槽一，或/和，上电极座上设置有线槽二。

本实用新型一个较佳实施例中，电极一、电极二采用的是石墨电极片，介质片一和介质片二采用的是石英玻璃介质片，石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积；或/和，下电极座和上电极座采用的是聚四氟乙烯制备的电极座。

本实用新型一个较佳实施例中，工作气体采用惰性气体。

本实用新型一个较佳实施例中，工作气体采用氩气。

本实用新型一个较佳实施例中，下电极座上设置的收纳槽一包括设置在所述下电极座上的介质片槽，以及位于所述介质片槽中的电极槽，所述介质片槽的外围还设置有环设在所述介质片槽外周的气体腔室槽，所述气体腔室槽能与可拆卸式气体腔室的一端对接；或/和，所述上电极座上设置的收纳槽二包括设置在所述上电极座上的介质片槽，以及位于所述介质片槽中的电极槽。

本实用新型解决了背景技术中存在的缺陷，本实用新型的有益效果：

一种结构简单、小巧便携、放电稳定的小型两用平面大气压等离子体放电装置，能够处理绝缘体或金属体，拥有简易且可拆卸的气路结构，流动的气体便于散热。

1.装置结构简单，小巧便携。

2.装置放电稳定，能产生等离子体用于处理绝缘体或金属体。

3.拥有简易且可拆卸的气路结构，既能在开放环境下工作，也能建立气体氛围，选择工作气体。

4.气路结构保证了装置内部气体的流动，便于带走装置内部产生的热量实现散热。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例的原理示意图；

图2是本实用新型优选实施例的结构示意图；

图3是本实用新型优选实施例中下电极组件的结构示意图；

图4是本实用新型优选实施例中上电极组件的结构示意图；

图5是本实用新型优选实施例中拆除可拆卸式气体腔室时产生等离子体的结构示意图（即空气放电时产生的等离子体状态）；

图6是本实用新型优选实施例中安装有可拆卸式气体腔室时产生等离子体的结构示意图（即氩气放电时产生的等离子体状态）；

图7是本实用新型优选实施例中利用氩气放电时所测得电压电流的参数示意图；

图8是本实用新型优选实施例对石英片表面改性前的石英片的水接触角测试参数示意图；

图9是本实用新型优选实施例对石英片表面改性后的石英片的水接触角测试参数示意图；

图10是本实用新型优选实施例的小型两用平面大气压等离子体放电装置对样品处理前的菌落显示图；

图11是本实用新型优选实施例的小型两用平面大气压等离子体放电装置对样品处理后的菌落显示图；

图中附图标记的含义：1-光学平台，2-位移平台，3-光学直角板一，4-光学直角板二，5-下电极组件，51-下电极座，511-线槽一，52-可拆卸式气体腔室，521-气管接头，53-电极一，54-介质片一，55-气体腔室槽，56-电极槽，57-介质片槽，6-上电极组件，61-上电极座、611-线槽二，62-电极二、63-介质片二，7-下电极输入线，8-上电极接地线，9-接地线桩，10-等离子体，101-外部电源。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例一

如图1-图5所示，一种小型两用平面大气压等离子体10放电装置，包括光学平台1，光学平台1采用的是金属支架，且光学平台1还通过接地线桩9接地。光学平台1包括安装架，以及设置在安装架上的纵向位移平台2，纵向位移平台2上设置有纵向轨道，纵向轨道上滑动设置有一对相向设置的光学直角板一3和光学直角板二4，光学直角板通过锁定组件限位安装在纵向轨道上，光学直角板一3和光学直角板二4上分别安装有上电极组件6和下电极组件5。相对间隔设置在光学平台1上的上电极组件6和下电极组件5能通过纵向轨道上的光学直角板一3和光学直角板二4相对位移，调整放电间隙的间距。上电极组件6和下电极组件5之间预留有放电间隙。

具体的，下电极组件5包括下电极座51，以及设置在下电极座51上的电极一53，电极一53外还设置有介质片一54，下电极座51采用的是聚四氟乙烯制备的电极座。下电极座51与上电极座61相向的一侧设置有收纳槽一，收纳槽一的边沿上还设置有线槽一511。收纳槽一内设置有介质片一54，介质片一54与收纳槽一之间还设有电极一53。电极一53通过下电极输入线7与外部电源101连接。电极一53采用的是石墨电极片；介质片一54采用的是石英玻璃介质片，石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积。上电极组件6包括上电极座61，设置在上电极座61上的电极二62，电极二62外还设置有介质片二63。上电极座61采用的是聚四氟乙烯制备的电极座。上电极座61与下电极座51相向的一侧设置有收纳槽二，收纳槽二的边沿上还设置有线槽二611。收纳槽二内设置有介质片二63，介质片二63与收纳槽二之间还设有电极二62。电极二62通过上电极输入线与外部电源101连接。电极二62采用的是石墨电极片；介质片二63采用的是石英玻璃介质片；石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积。外部电源101可以采用直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或多种。本实施例中采用的，高频高压交流电源，高频高压交流电源采用的型号是：苏曼CTP‒2000K。本实施例利用空气放电时，如图5所示，可以看到在电极中部形成了大面积的等离子体10，等离子体10较为均匀。

实施例二

如图1-图4、图6所示，一种小型两用平面大气压等离子体10放电装置，包括光学平台1，光学平台1采用的是金属支架，且光学平台1还通过接地线桩9接地。光学平台1包括安装架，以及设置在安装架上的纵向位移平台2，纵向位移平台2上设置有纵向轨道，纵向轨道上滑动设置有一对相向设置的光学直角板，光学直角板通过锁定组件限位安装在纵向轨道上，一对光学直角板上分别安装有上电极组件6和下电极组件5。相对间隔设置在光学平台1上的上电极组件6和下电极组件5能通过纵向轨道上的光学直角板相对位移，调整放电间隙的间距。上电极组件6和下电极组件5之间预留有放电间隙。更进一步的，光学平台1的安装架的底座是金属材质，大小为200mm×200mm×13mm，中间设置有M6的螺纹孔，螺纹孔的孔距25mm×25mm，作为为整个装置的底座，纵向位移平台2为z轴位移平台2，金属材质，总长度为300mm，纵向位移平台2上设置有两个大小为40mm×40mm的滑块，滑块有效行程为260mm，滑块可根据使用需求调整位移；将两个光学直角板通过滑块滑动式设置在z轴位移平台2上，通过锁定组件例如螺丝固定在z轴位移平台2中的滑块之上。

下电极组件5包括下电极座51，以及设置在下电极座51上的电极一53，电极一53外还设置有介质片一54，下电极座51采用的是聚四氟乙烯制备的电极座。下电极座51与上电极座61相向的一侧设置有收纳槽一，收纳槽一的边沿上还设置有线槽一511。收纳槽一内设置有介质片一54，介质片一54与收纳槽一之间还设有电极一53。电极一53通过下电极输入线7与外部电源101连接。电极一53采用的是石墨电极片；介质片一54采用的是石英玻璃介质片，石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积。上电极组件6包括上电极座61，设置在上电极座61上的电极二62，电极二62外还设置有介质片二63。上电极座61采用的是聚四氟乙烯制备的电极座。上电极座61与下电极座51相向的一侧设置有收纳槽二，收纳槽二的边沿上还设置有线槽二611。收纳槽二内设置有介质片二63，介质片二63与收纳槽二之间还设有电极二62。电极二62通过上电极输入线与外部电源101连接。电极二62采用的是石墨电极片；介质片二63采用的是石英玻璃介质片；石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积。外部电源101可以采用直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或多种。

具体的，上电极组件6和下电极组件5之间设置有可拆卸式气体腔室52，且至少部分电极一53和电极二62位于可拆卸式气体腔室52的腔体内，且可拆卸式气体腔室52上设置有两个气管接头521，通过气管接头521连接小型抽气泵，具体的，小型抽气泵采用的是Kamoer的型号为Labvp15-d12。控制小型抽气泵的抽速为3slm，此时放电后如图6所示，电极中部形成了大面积的等离子体10，相比较实施例一中的空气放电，纯氩气产生的等离子体10更加均匀。

气管接头521将工作气体引入腔体内。可拆卸式气体腔室52包括中空玻璃框架，中空玻璃框架与下电极座51和上电极座61之间形成腔体；上电极座61从中空玻璃框架的上部嵌设对接入中空玻璃框架内。但不仅限于此，在其他实施例中，中空玻璃框架的下部与下电极座51上的嵌槽吻合对接；中空玻璃框架的上部与上电极座61嵌设对接。工作气体采用惰性气体。进一步的，本实施例中引入的工作气体是氩气。

更进一步的，下电极组件5的下电极座51采用的聚四氟乙烯电极座大小为100 mm×100 mm×20mm，上面分别有线槽一511，线槽一511的尺寸为宽度2mm，深度6mm。下电极座51上设置的收纳腔包括有气体腔室槽55，有气体腔室槽55距离下电极座51的边缘5mm，宽度5mm，深度5mm；以及位于有气体腔室槽55中部的电极槽56以及介质片槽57，电极槽56的直径61mm的圆槽，深度6mm。介质片槽57的尺寸为71×71mm，深度为1mm。

更进一步的，可拆卸式气体腔室52采用的是有机玻璃气体腔室，可拆卸式气体腔室52的外径为90 mm×90 mm×15mm，厚度为5mm，是一种中空框架，左右两侧安装有气管接头521便于通入工作气体；石墨电极一53和石墨电极二62的为直径60mm厚度5mm的圆片；石英介质片一54和石英介质片一54大小为70mm×70mm，厚度1mm。电极一53通过上电极接地线8连接至光学直角板二4上，而光学平台1均是金属材质并通过接地线桩9连接至地线之上，电极一53在下电极一53连接电源输出的同时，电极之间的间隙产生电势差形成电场，最终电离间隙之间的气体形成等离子体10。上电极组件6的上电极座61采用的四氟乙烯电极座大小为80 mm×80 mm×20mm；上电极座61可以进入到有可拆卸式气体腔室52中，而上电极座61上面的线槽二611的宽度2mm，深度6mm；上电极座61的电极槽56的直径61mm的圆槽，深度6mm；上电极座61的介质片槽57的尺寸是71 mm×71mm，深度1mm；石墨电极为直径60mm厚度5mm的圆片。如图6所示，安装有机玻璃气体腔室时，采用高频高压交流电源，高频高压交流电源采用的型号是：苏曼CTP‒2000K。放电后如图6所示，电极中部形成了大面积的等离子体10，相比较实施例一中的空气放电，纯氩气产生的等离子体10更加均匀。

实施例三

在实施例二的基础上，如图7所示，为本实用新型利用氩气放电时所测得电压电流的参数，图7中可知在使用高频电源工作频率为16.978kHz，电压峰值约为12.5kV，电流呈现大量丝状分布最高可达15mA左右。

实施例四

在实施例二的基础上，本实用新型能用于石英片表面改性中。选用圆形石英片进行实验，圆形石英片直径为6mm厚度为1mm。通过实施例二的装置处理5秒后取出实验样品，随后进行水接触角测试，并与处理前对比，利用水接触角测试仪表征样品的亲疏水性，测试液体选择去离子水，每滴为2µL，测试结果如下图8、图9所示，未经改性处理的石英表面，测试得到水接触角为48.54°，处理后的石英表面水接触角降低至5.8°，处理后大幅提高了石英玻璃的亲水性。

实施例五

在实施例二的基础上，本实用新型能用于等离子体10杀菌选用大小为10cm²厚度为0.15mm的圆形纯棉白胚布作为实验对象，将0.1ml的浓度为1×10⁸CFU/ml的大肠杆菌悬浮液移植在圆布表面，通过此装置处理30秒，之后将处理过的样品与未处理的样品一并放入37℃恒温培养箱培养24小时，后观察表面细菌繁殖情况，结果如下图10、图11所示，处理过后大肠杆菌被完全消灭，杀菌率高达100%。E是大肠杆菌的缩写（Escherichia coli），采用的是琼脂培养基。杀菌机理：等离子体直接破坏细菌的细胞膜致死，同时在空气中放电还会产生臭氧，能够进一步协助杀菌。

工作原理：

如实施例一所示，本实施例设置结构简单、小巧便携、放电稳定的小型两用平面大气压等离子体放电装置，能够处理绝缘体或金属体，拥有简易且可拆卸的气路结构，流动的气体便于散热。装置放电稳定，能产生等离子体10用于处理绝缘体或金属体。使用时，可以根据实际的使用需求调整放电间隙的间距。上电极组件6和下电极组件5之间预留有放电间隙。电极二62采用的是石墨电极片；介质片二63采用的是石英玻璃介质片；石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积。本实施例利用空气放电时，如图5所示，可以看到在电极中部形成了大面积的等离子体10，等离子体10较为均匀。

如实施例二所示，拥有简易且可拆卸的气路结构，既能在开放环境下工作，也能建立气体氛围，选择工作气体。气路结构保证了装置内部气体的流动，便于带走装置内部产生的热量实现散热。可拆卸式气体腔室52采用的是有机玻璃气体腔室，可拆卸式气体腔室52是一种中空框架，左右两侧安装有气管接头521便于通入工作气体；电极一53通过上电极接地线8连接至光学直角板二4上，而光学平台1均是金属材质并通过接地线桩9连接至地线之上，电极一53在下电极一53连接电源输出的同时，电极之间的间隙产生电势差形成电场，最终电离间隙之间的气体形成等离子体10。上电极座61可以进入到有可拆卸式气体腔室52中，安装有机玻璃气体腔室时，采用高频高压交流电源，利用惰性气体放电的照片，如图6所示，电极中部形成了大面积的等离子体10，相比较实施例一中的空气放电，纯氩气产生的等离子体10更加均匀。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，包括相对间隔设置在光学平台上的上电极组件和下电极组件，其特征在于：

所述上电极组件和下电极组件之间预留有间距可调的放电间隙；所述下电极组件包括下电极座，设置在所述下电极座上的电极一，所述电极一上敷设有介质片一，所述上电极组件包括上电极座，设置在所述上电极座上的电极二，所述电极二上敷设有介质片二。

2.根据权利要求1所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述光学平台包括安装架，以及设置在安装架上的纵向位移平台，所述纵向位移平台上设置有纵向轨道，所述纵向轨道上滑动设置有一对相对设置的光学直角板，所述光学直角板通过锁定组件限位安装在所述纵向轨道上，一对所述光学直角板上分别安装有所述上电极组件和下电极组件。

3.根据权利要求1所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述上电极组件和下电极组件之间设置有可拆卸式气体腔室，且至少部分所述电极一和所述电极二位于所述可拆卸式气体腔室的腔体内，且所述可拆卸式气体腔室上设置有若干个气管接头，所述气管接头将工作气体引入所述腔体内。

4.根据权利要求3所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述可拆卸式气体腔室包括中空玻璃框架，所述中空玻璃框架与所述下电极座和上电极座之间形成所述腔体；

所述中空玻璃框架的下部与所述下电极座上的嵌槽吻合对接；所述中空玻璃框架的上部与所述上电极座嵌设对接，或/和，所述上电极座从所述中空玻璃框架的上部嵌设对接入所述中空玻璃框架内。

5.根据权利要求4所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述下电极座与上电极座相向的一侧设置有收纳槽一，所述收纳槽一内设置有所述介质片一，所述介质片一与所述收纳槽一之间还设有所述电极一；或/和，所述上电极座与下电极座相向的一侧设置有收纳槽二，所述收纳槽二内设置有所述介质片二，所述介质片二与所述收纳槽二之间还设有所述电极二。

6.根据权利要求5所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述电极一和电极二分别通过下电极输入线和上电极输入线与外部电源连接，所述外部电源可以采用直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或多种；

或/和，所述光学平台采用的是金属支架，且所述光学平台还通过接地线桩接地；

或/和，所述下电极座上设置有线槽一，或/和，所述上电极座上设置有线槽二；

或/和，所述电极一、电极二采用的是石墨电极片，所述介质片一和介质片二采用的是石英玻璃介质片，所述石英玻璃介质片的面积大于石墨电极片的面积；

或/和，所述下电极座和上电极座采用的是聚四氟乙烯制备的电极座。

7.根据权利要求3所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述工作气体采用惰性气体。

8.根据权利要求3所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述工作气体采用氩气。

9.根据权利要求5所述的一种小型两用平面大气压等离子体放电装置，其特征在于：所述下电极座上设置的收纳槽一包括设置在所述下电极座上的介质片槽，以及位于所述介质片槽中的电极槽，所述介质片槽的外围还设置有环设在所述介质片槽外周的气体腔室槽，所述气体腔室槽能与可拆卸式气体腔室的一端对接；或/和，所述上电极座上设置的收纳槽二包括设置在所述上电极座上的介质片槽，以及位于所述介质片槽中的电极槽。

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