一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置和方法

摘要

本发明公开了一种产生空气环境中等离子体刷的装置，其包括有放电部分和供气部分：所述放电部分包括由两块介质板和两根介质管构成的放电腔体和分别设置在所述两根介质管内的两个电极；所述供气部分接在所述放电腔体一端的端口处，用于为所述放电腔体提供工作气体。本发明还公开了空气环境中等离子体刷的产生方法，其方法如下：（1）启动供气部分，给放电腔体提供一定流量的工作气体；（2）增加两电极间的外加交流电源的电压，使放电腔体内产生辉光介质阻挡放电，然后调整两电极间的外加交流电源的电压峰值和交流电源的输出频率，使放电腔体的另一端口处产生在空气环境中的大气压下均匀等离子体刷。

说明书

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术，具体的说是一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置和方法。

背景技术

大气压等离子体在工业、医疗、环境保护等领域具有广泛的应用前景，如可用于材料制备、表面处理、材料蚀刻、污水处理、伤口杀菌消毒，以及工业废气脱硫脱硝处理等。大气压等离子体通常可采用电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电等方法来产生。电晕放电产生的等离子体仅出现在尖端电极附近，体积较小，限制了它在工业方面的应用。电弧放电产生的等离子体气体温度高，容易损伤待处理的热敏感材料，且通常需要水冷装置配套使用。而辉光介质阻挡放电所产生的大气压等离子体具有较好的均匀性、较低的气体温度、较高的电子温度和适中的电子密度等特点，因而成为获得大气压等离子体的常用手段。

另一方面，大气压等离子体应用到更广泛的范围内，如何在开放的环境中获得大气压均匀等离子体就显得尤为重要。现在国内外，通常利用等离子体喷枪或者滑动弧放电获得空气环境中的均匀等离子体。如公开号为CN103079329A的发明专利所报道的等离子体喷枪，但是该喷枪所产生的等离子体羽呈圆柱状，其直径较小（约几个毫米，最大到一个厘米左右），不利于工业中大面积材料处理。而滑动弧放电（如公开号为CN101778526A的发明专利）气体温度通常为几千K,在使用过程中，容易损伤待处理的热敏材料，有时甚至需要配套水冷装置使用，且在放电过程中其产生单位体积的等离子体羽功率消耗大。

以上两种方式所产生的等离子体羽因其自身所具备的一些特性而在应用上受到一些限制，因此，研究者将注意力转移到辉光介质阻挡放电的研究上面。但如何利用辉光介质阻挡放电产生空气环境中的等离子体羽是研究者所面临的一个难以克服的问题，正如公开号为CN204014246U的发明专利所述，介质阻挡放电产生的低温等离子体只能在较小的气隙中产生，这无疑会限制待处理材料的尺度，同时也限制了它的应用范围。专利ZL201210128206.3虽然公布了一种低电压下产生大间隙大气压均匀放电的装置及方法，通过气体在放电腔体的流动产生了大间隙的辉光介质阻挡放电，但放电仍然限制在两个电极之间的区域。因此，如何在开放的环境中获得较大尺度的大气压均匀等离子体就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置，以解决现有介质阻挡放电装置无法产生空气环境中的大气压下等离子体刷的问题。

本发明的目的之二是提供一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的方法，以解决现有方法所产生的空气环境中大气压下等离子体刷温度过高、功耗高的问题。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置，其包括有放电部分和供气部分：

所述放电部分包括由两块介质板和两根介质管构成的放电腔体和分别设置在所述两根介质管内的两个电极，所述介质管的两端密封，所述电极分别通过导线与交流电源的高压输出端和接地端连接；所述供气部分接在所述放电腔体一端的端口，用于为所述放电腔体提供工作气体；

其中，所述介质板与所述介质管为绝缘材料。

本发明所述的一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置，所述供气部分由储气罐和连接在储气罐上的气体管路构成，所述气体管路的另一端接在所述放电腔体一端的端口；所述储气罐中储存的工作气体为惰性气体或惰性气体与空气的混合气体。

本发明所述的一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置，所述绝缘材料为玻璃、石英或聚四氟乙烯。

本发明所述的一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置，所述电极为导电液或棒状金属。

优选的，所述棒状金属材质为钨、铜或铁。

本发明所述的一种产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的装置，所述放电腔体沿所述两根介质管轴线所在平面的剖面为矩形或梯形。如所述放电腔体剖面为矩形，则所述放电腔体一端为进气口，另一端为出气口；如所述放电腔体剖面为梯形，则以所述放电腔体较窄一端为进气口，较宽一端为出气口。

本发明中，所述放电腔体的厚度与所述介质管外径一致，所述放电腔体的厚度在0.1~5mm，所述放电腔体的端口宽度在0.2mm~65mm，所述放电腔体的长度在10~150mm。

本发明中，所述惰性气体为氦气、氖气或氩气。

本发明的目的之二是这样实现的：

利用权利要求1所述装置产生空气环境中的大气压下均匀等离子体刷的方法，其方法如下：

（1）启动供气部分，给放电腔体提供一定流量的工作气体；

（2）增加两电极间的外加交流电源的电压，使放电腔体内产生辉光介质阻挡放电，然后调整两电极间的外加交流电源的电压峰值和交流电源的输出频率，使放电腔体的另一端口处产生在空气环境中的大气压下均匀等离子体刷。

本发明所述的产生空气环境中的大气压下均匀等离子体刷的方法，所述工作气体为惰性气体或惰性气体与空气的混合气体。

本发明所述的产生空气环境中的大气压下均匀等离子体刷的方法，所述工作气体的流量在0.1 L/min~30 L/min之间。

本发明所述的产生空气环境中的大气压下均匀等离子体刷的方法，所述交流电源的电压在1.0 kV~30 kV之间，所述交流电源的输出频率范围在50Hz~14MHz之间。

本发明的方法中，所述交流电源的输出频率范围优选在50Hz~13.56MHz之间。

本发明提供的装置结构简单、成本低廉，使用该装置产生单位体积等离子体刷的功耗小，并且本发明所产生的等离子体刷具有以下优点：

（1）温度低，无需水冷，不损坏待处理的热敏材料；

（2）无需电阻限流，避免了电阻的热损耗，产生单位体积等离子体羽功耗小，在工业应用上更有优势；

（3）产生的等离子体处于放电腔体外侧的空气环境中，不会限制待处理材料的尺度，扩大了应用范围；

本发明通过利用棒状电极（装入电介质管中的导电液体或者金属）增强出气口外侧电场，使滑动到出气口外侧的等离子体放电不会立即终止，从而在空气环境中形成均匀的大气压等离子体刷。本发明所产生的空气环境中大气压下均匀等离子体刷在材料制备、表面处理、材料蚀刻、污水处理、杀菌消毒等领域具有广泛的应用前景，它对于推动等离子体材料制备、表面处理、材料蚀刻、薄膜生长、污水处理、伤口消毒，和工业废气脱硫脱硝处理等应用将具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明产生大气压下均匀等离子体刷装置的整体结构示意图。

图2是本发明产生大气压下均匀等离子体刷装置的放电腔体的截面剖视图。

图3是实施例2产生的等离子体刷实例图。

图4是实施例2产生的等离子体刷的高速录像图。

图5是实施例4产生的等离子体刷的实例图。

图中：1、介质板，2、介质管，3、放电腔体，4、电极，5、导线，6、交流电源，7、储气罐，8、气体体积流量计，9、等离子体刷。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的装置及方法做进一步阐述，但不以任何形式限制本发明的内容。

实施例1

本发明产生大气压下均匀等离子体刷的装置的结构如图1、图2所示，其由放电部分、供气部分及配套电路组成。

放电部分包括放电腔体3和电极4构成。具体的，放电腔体3是由两块介质板1和设置在该两块介质板1之间的两根介质管2共同组成的一个通透的梯形腔体；介质板1的厚度为1 mm，介质管2的两端密封，其外径为2 mm、内径为1 mm，所形成的梯形放电腔体3的厚度为2 mm。另外，放电腔体3的进气口宽度为10 mm、出气口宽度为25 mm、进气口距离出气口70 mm。电极4设置在介质管2内，其通过导线5分别与交流电源6的高压输出端和接地端连接。介质板1和介质管2为石英制成；电极4为铜丝制成，其直径等于介质管2内径，为1 mm。

供气部分由储存有工作气体（氩气）的储气罐7和连接在储气罐7上的气体管路构成，气体管路的另一端接在放电腔体3的进气口（即较窄一端的端口处），在气体管路上设置有一个气体体积流量计8。

配套电路即导线5和交流电源6部分。

实施例2

采用实施例1中的装置产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的方法，具体操作步骤如下：

（1）启动供气部分，输出氩气至放电腔体，调节氩气的体积流量为4L/min；

（2）增加两电极间的外加交流电源电压至3.5 kV，使放电腔体内产生辉光介质阻挡放电，然后调节两电极间的外加交流电源的电压峰值和交流电源的输出频率，当外加电压峰值高于8kV、输出频率为65kHz时，在放电腔体的端口外形成空气环境中的大气压下均匀等离子体刷。

图3是所形成的等离子体刷的实例图（曝光时间1ms），所形成的等离子体刷9宽度为2cm、长度为1cm。经检测，本实施例所产生的等离子体刷温度在38℃～70℃。

图4是图3中形成的等离子体刷的高速录像结果（每张照片曝光10微秒），在不同的延迟时间时放电丝的位置在改变，并且可以看出放电腔体中辉光介质阻挡放电丝的滑动过程，以及辉光放电丝滑动出出气口外侧后持续的放电过程。表明了放电过程中形成的均匀等离子体羽是由滑动的辉光介质阻挡放电丝形成的。

实施例3

本实施例中与实施例1中的装置的结构类似，其由放电部分、供气部分及配套电路组成，其区别在于，放电腔体是由两块介质板和设置在该两块介质板之间的两根介质管共同组成的一个通透的矩形腔体，所形成的矩形放电腔体的厚度为2 mm、进气口及出气口宽度均为为16 mm、进气口距离出气口为70 mm，其余部分与实施例1中描述相同。

实施例4

采用实施例3中的装置产生空气环境中大气压下均匀等离子体刷的方法，具体操作步骤如下：

（1）启动供气部分，输出氩气至放电腔体，调节氩气的体积流量为4.5 L/min；

（2）增加两电极间的外加交流电源电压至4 kV，使放电腔体内产生辉光介质阻挡放电，然后调节两电极间的外加交流电源的电压峰值和交流电源的输出频率，当外加电压峰值高于8.5 kV、输出频率为70 kHz时，在放电腔体的出气口外侧形成空气环境中的大气压下均匀等离子体刷。

图5是所形成的等离子体刷的实例图，所形成的等离子体刷宽为16 mm、长约为10 mm。

实施例2和实施例4中提到的电压、频率和气体体积流量的值只分别针对实施例1和实施例3所提到的装置参数适用，在具体实施过程中视装置的具体参数情况可以增大或减小电压和频率、气体体积流量。