大气压气体放电均匀化的调制方法和装置

摘要

本发明涉及大气压气体均匀放电技术领域，提供一种大气压气体放电均匀化的调制方法和装置。所述方法包括：利用交流电源驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或，利用脉冲电源驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化。本发明在掌握产生非均匀气体放电的主导因素与内在机理的基础上，在介质阻挡放电的形式下通过适当调节交流或脉冲电源的方式消除放电非均匀性，实现大气压气体放电均匀化，方法简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及大气压气体均匀放电技术领域，尤其涉及一种大气压气体放电均匀化的调制方法和装置。

背景技术

大气压气体放电是在大气压的环境下，利用高压电源驱动间隔一定气隙间距的电极，当电压达到一定阈值时，会使气体进行击穿放电并产生等离子体。气体放电与等离子体已有几十年的理论与应用研究历史，具有非常广泛的应用价值，例如动力推进、除尘杀菌、微波材料、材料表面处理、镀膜、显示器、光源、臭氧生成等等。

在诸多气体放电形式中，介质阻挡放电是应用价值较为突出的一种。该种放电的典型发生装置如图2和图3所示，图中对称的部分是两个水电极，具体为：用两片玻璃板以硅胶粘接的方式对透明有机玻璃圆筒进行封装，圆筒上部钻一小孔，将提前放入筒中的金属环通过小孔引出与电源相连，并通过小孔将筒内注满水，图中间是一个玻璃边框，玻璃边框中间部分被挖空，中空部分即为放电空间，对装置施加高压并达到击穿阈值，即可形成气体放电。电极与介质板也可采用ITO(氧化铟锡)透明导电玻璃，即在普通玻璃板的一面镀上一层ITO透明导电薄膜。采用透明导线材料与透明介质板的主要原因是为了研究者可以在电极的侧端面观察到放电现象，由于电极与介质板的透明性，可以从电极端面对放电情况进行观测。

进一步地，气体电离产生的空间电荷在电场作用下向两极移动并沉积于玻璃板表面，形成壁电荷，壁电荷产生的内建电场与外加电场反向，当反向的内建电场增大到一定程度时，合电场会降至击穿阈值以下，进而使放电熄灭。正因如此，介质阻挡放电无法以直流电驱动，而必须是交流或脉冲电源驱动。在交流电驱动下，到了下一个半周期，外加电场转换方向，与壁电荷电场同向并逐渐增大，又会重新达到气体击穿阈值，再次激发放电，如图3给出了单次放电前后外加电压与壁电荷的示意图。一方面，壁电荷在每次放电前对气隙电压有加成，从而降低放电所需的外加电压，从技术研发与产品研制角度讲，可以降低能耗；另一方面，这种放电属于间歇性放电，较之直流驱动下的连续性放电，产热量要低得多，人员、设备的安全性以及降低能耗两方面均可得到保障，这也是介质阻挡放电被广泛应用的主要原因。

介质阻挡放电在不同条件下也会呈现不同的放电模式(或击穿机理与放电发展过程)，主要由pd值(气压p与放电间隙d的乘积)决定，分为汤森、辉光、流光三种模式。一般地，辉光放电产生的pd值小于十几或小于几十torr cm(具体数值取决于放电气体种类)，汤森放电形成于更低的pd值下，而流光放电则形成于更高的pd值下。在放电形态上，汤森模式为发光非常微弱的均匀态弱放电；辉光模式较之汤森模式放电强度更强，发光也更强，一般为均匀态放电，但在特定条件下，也会形成非均匀放电，但非均匀程度较弱；流光模式不存在均匀态，在放电空间中会形成许多明亮的放电细丝，并且这些放电丝在一定的自组织机制下还可以形成规则排列的图案，我们称为斑图。三者之中，流光模式放电强度最强、发光最为明亮，非均匀程度也是最为明显的，图4给出了三种模式下均匀态与非均匀态放电的示例图片，从左至右依次为均匀态汤森弱放电、辉光均匀放电、辉光非均匀放电、流光斑图放电。

在气体放电等离子体技术的实际应用层面，均匀放电的应用性较之非均匀放电要宽泛许多。例如，均匀放电的等离子体除尘灭菌效率以及材料表面处理效率要比非均匀放电高出许多，还有镀膜、制作光源等应用本身就对均匀性提出了很高的要求。然而，在实际情况中，放电极易受到空间局域扰动(如电极表面平整度不够完美、有杂质颗粒悬浮于空间或附着于介质表面、空间电荷在局部空间的瞬态积聚等)而呈现非均匀态。由于需要很低的pd值，较为完美的均匀放电很难实现，而且即便实现了，也很难投入应用，具体有以下几方面原因：

(1)获得足够低的pd值可通过减小电极间隙d来实现，但在大气压空气环境下，形成均匀态放电所需的pd是非常小的，相应的d值也就很小，只有几十至百微米量级，这势必会增加装置设备加工工艺的难度与成本，例如电极或介质板表面的高精平整度加工、微小气隙间距的定位控制与测量等。

(2)降低气压也是实现均匀放电的一种途径，这势必需要放电实验研发工作在低压或真空环境中进行，增加了研发工作的复杂程度，也不利于后期研发产品投入实际使用。

(3)相较于大气压空气放电，采用稀有气体(如惰性气体)获得均匀态放电可以降低对pd值的要求，但稀有气体显然要比空气昂贵许多，同样会极大增加研发与生产成本。

(4)能够产生均匀态的汤森与辉光放电，其电流密度(或放电强度)是很低的，即便不惜成本，并具有完备的仪器设备能够实现，也面临达不到某些加工制造工艺所需指标的可能性。

发明内容

基于上述原因，本发明实施例提供了一种大气压气体放电均匀化的调制方法和装置。

本发明实施例的第一方面提供一种大气压气体放电均匀化的调制方法，包括：

利用交流电源驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或

利用脉冲电源驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

调节所述交流电源的驱动频率、电压幅值和电压脉冲占空比中的至少一种，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述交流电源的驱动频率升高为≥100kHz或降低为≤1kHz，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述交流电源的电压幅值升高为≥160V或降低为≤110V，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

调节所述脉冲电源的驱动频率、电压幅值和电压脉冲占空比中的至少一种，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述脉冲电源的驱动频率升高为≥100kHz或降低为≤1kHz，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述脉冲电源的电压幅值升高为≥160V或降低为≤110V，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述大气压气体放电均匀化的调制方法还包括：

施加外加磁场驱动气体放电，并调节所述外加磁场的参数对所述气体放电进行均匀化。

可选的，所述大气压气体放电均匀化的调制方法还包括：

调节所述交流电源的参数、调节所述脉冲电源的参数和调节所述外加磁场的参数，对所述气体放电进行均匀化。

本发明实施例的第二方面提供一种大气压气体放电均匀化的调制装置，包括：

交流电源，用于驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或

脉冲电源，用于驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或

外加磁场产生设备，用于驱动气体放电，并调节所述外加磁场的参数对所述气体放电进行均匀化。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明主要利用交流电源驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，和/或，利用脉冲电源驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，即在掌握产生非均匀气体放电的主导因素与内在机理的基础上，在介质阻挡放电的形式下通过适当调节交流或脉冲电源的方式消除放电非均匀性，实现大气压气体放电均匀化，方法简单，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种大气压气体放电均匀化的调制方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的传统介质阻挡放电发生装置的示意图；

图3是本发明实施例提供的介质柱放电的外电压与内电场的方向示意图；

图4是本发明实施例提供的汤森、辉光、流光模式下的放电示意图；

图5是本发明实施例提供的单一放电通道内的相对电子密度随时间的演化示意图；

图6是本发明实施例提供的在不同驱动频率下放电随电压的变化示意图；

图7是本发明实施例提供的在不同电压脉冲占空比下放电随外加电压的变化示意图；

图8是本发明实施例提供的在固定条件下施加外加磁场的放电变化示意图。

具体实施方式

本领域技术人员应当知晓，本申请附图所示具体结构、尺寸、比例系用于说明本发明的实施方式，并非对本发明的权利要求范围的限定，权利要求的范围应以权利要求书为准。

下面，结合附图1，对本发明的实施方式进行说明。

本发明的大气压气体放电均匀化的调制方法主要包括：

步骤S101，利用交流电源驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或

步骤S201，利用脉冲电源驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化。

气体放电出现局域非均匀性现象是由于在放电前，空间中存在一定的扰动因素，这些扰动会导致在气体初次击穿时空间中相应位置的放电被增强，这就形成了初始的非均匀性；在一定的条件下，初始非均匀性会随着逐次放电被增强，与此同时，局域强放电的壮大又对其周围区域的放电形成抑制作用，导致周围放电被削弱，我们把这种机制称为“增强-抑制效应”或“活化-禁阻效应”。此外，随着逐次放电的不断演化，这种局域的“增强-抑制”非均匀性还可以按照以上原理横向传播开来，最终在整个放电区域形成明暗相间的放电结构，也就是斑图。图5是利用流体模型仿真得到的一个称放电通道内的相对电子密度(相对于上下两侧均匀放电区域)分布图，左图以颜色分布表示，右图以曲线表示，在两幅图中均可以看到放电通道内的电子密度出现了两次极值。第一次峰值较高，出现于放电过程中；第二次峰值较低，出现于放电结束后的一段时间。

放电开始后，气体电离形成的电子与离子向两电极反向迁移，由于电子质量远小于离子，其速度则远大于离子，那么就会在阴极附近形成一个净剩的正电荷区。由于通道内的放电强度要高于其他均匀放电位置，所产生的电荷也就比周围多，因此放电通道内的阴极区附近会产生一个指向两侧的静电场，吸引周围的空间电子进入通道内，促进本次放电。相应地，周围区域的电子就会减少。在放电结束后的一段时间内，尽管空间的电子与离子已经很大程度上中和或扩散，但阴极区附近仍然保留一个较弱的正电荷静电场，不仅对本通道内的电子有一定的束缚作用，避免其快速扩散，对周围区域的电子仍有微弱的吸引作用，因而出现了第二个矮峰，我们把这种效应称为“电子汇聚效应”，并且第二阶段的汇聚效应对于局域非均匀放在是否能在后期发展壮大至关重要。如果下一次放电来临时间处于第二个峰值时段内，该处的放电会逐步增强；来得太早，第二阶段的汇聚效应来不及发展，来得过晚，空间电荷已很大程度上中和与扩散，都无法增强局域放电，在多次放电后会变为均匀态。

进一步分析，非均匀态的形成需要足够强的局域净剩正电荷以产生足够强的净电场来吸引周围电子，形成电子汇聚效应；此外，还要保证在交流驱动下的脉冲放电要有合适的时间间隔。显然，时间间隔取决于电源驱动频率和电压脉冲占空比，而电荷密度取决于放电强度，进而取决于外加电压值；此外，周围电子能否顺利快速地被吸入放电通道，也要看是否还有其他外力作用对其运动产生阻碍。

本实施例对非均匀放电的形成原理进行逆向思维，得到了均匀化的综合调制方法，主要是在掌握产生非均匀气体放电的主导因素与内在机理的基础上，在介质阻挡放电的形式下，发展了通过适当调节交流或脉冲电源驱动频率、电压幅值、电压脉冲占空比，以及施加外加磁场等方式消除放电非均匀性，最终实在均匀化的技术手段。

可选的，本实施例所述的调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

调节所述交流电源的驱动频率、电压幅值和电压脉冲占空比中的至少一种，对所述气体放电进行均匀化。

示例性的，我们将驱动频率固定，例如f＝20kHz，通过调节信号发生器的占空比旋钮改变电压脉冲占空比，在每一个占空比数值下，调节高压源调压旋钮，逐步升高电压，获得了如图7所示的放电图样序列。综合对几组图片序列可以看到，在很低或很高的占空比下，1)某些电压值下的非均匀放电图样开始变得模糊、弥散，也就是说，即便非均匀性仍然存在，但强度降低了很多；2)能够产生均匀放电所对应的电压范围扩大了。原理上，调制占空比与调制驱动频率具有内在一致性，都是控制放电时间间隔参数。因此，调制占空比也有助于使放电向均匀化方向发展。

可选的，本实施例所述的调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述交流电源的驱动频率升高为≥100kHz或降低为≤1kHz，对所述气体放电进行均匀化。

具体的，本实施例通过对交流电源调频调压，实现气体放电的均匀化。示例性的，利用方波高压电源驱动气体放电，固定电压脉冲占空比η＝50％，选取几个驱动频率值，在各频率值下调节电压旋钮，逐步升压，获得了如图6所示的放电图样变化序列。在3组序列中，只有驱动频率f＝50kHz的情况下，放电存在不均匀性；f＝1kHz和100kHz时，放电在所测试的电压范围内始终保持均匀态，f＝1kHz，频率过低，相邻两次放电的时间间隔过长，后一次放电产生于第二阶段电子汇聚效应之后，放电保持均匀态，f＝100kHz，频率过高，相邻两次放电的时间间隔过短，后一次放电产生时还来不及发展第二阶段电子汇聚效应，保证了放电均匀性。因此，降低或升高驱动频率是实现均匀化的方法。

可选的，本实施例所述的调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述交流电源的电压幅值升高为≥160V或降低为≤110V，对所述气体放电进行均匀化。

如图6，从f＝50kHz的图片序列中可以发现，放电在不同电压下也并非始终保持非均匀态。电压过低(U＝110V)或电压过高(U＝160V)也可形成均匀放电；电压过低，整体放电过于微弱、缓慢，局域强放电通道无法产生足够多的阴极区净电荷吸引周围电子，因而放电呈现均匀态；高电压下，放电过强，产生的空间电荷过多，这使得净电荷区在阴极附近形成，需要更多时间，因而第二阶段电子汇聚效应的形成会延后很多，然而，过长的时间又会导致空间电荷产生较大程度的中和与扩散，导致第二阶段电子汇聚效应总体减弱，因而也会形成均匀态。因此，降低或升高外加电压值是实现均匀化的方法。

可选的，本实施例所述的调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

调节所述脉冲电源的驱动频率、电压幅值和电压脉冲占空比中的至少一种，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，本实施例所述的调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述脉冲电源的驱动频率升高为≥100kHz或降低为≤1kHz，对所述气体放电进行均匀化。

可选的，本实施例所述的调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，包括：

将所述脉冲电源的电压幅值升高为≥160V或降低为≤110V，对所述气体放电进行均匀化。

对于脉冲电源的参数调节实现放电均匀化，这里不进行赘述，可以参照交流电源的参数调节方法。

在一个实施例中，所述大气压气体放电均匀化的调制方法还可以包括：

步骤S301，施加外加磁场驱动气体放电，并调节所述外加磁场的参数对所述气体放电进行均匀化。

具体的，磁场会对运动方向的分量与之垂直的带电粒子施加洛伦兹力作用，进而使带电粒子的运动方向发生偏转。若对放电空间施加一轴向(垂直于二维放电平面)磁场，当局域放电通道周围的电子被通道内净电场吸引而向通道内汇聚时，洛伦兹会使电子的运动方向发生偏离，阻碍或延缓电子的汇聚，进而延缓与削弱电子汇聚效应。图8给出了固定的放电条件下，轴向磁场作用于放电的实验结果；该实验中，施加磁场以及调节磁感应强度的方法相对粗糙、简单，就是用一块磁铁逐渐靠近放电，并用磁场测量仪器读取磁感应强度数值，也可以采用专门的磁场发生设备对放电进行磁场施加及参数调节，从图中可以很明显看到，初始的非均匀放电随着磁场增大迅速向均匀态发展。因此，施加外加磁场也是实现气体放电均匀化的有效手段。磁场越强，均匀化程度越高；放电越强，非均匀度越高，实现均匀化越困难，也就需要更强的磁场。

可选的，本实施例的大气压气体放电均匀化的调制方法还可以包括：

调节所述交流电源的参数、调节所述脉冲电源的参数和调节所述外加磁场的参数，对所述气体放电进行均匀化。

本实施例为实现大气压气体放电均匀化的一种综合性的调制方法，它的技术关键点集中体现于“综合性”与“调制”，具体如下：(1)由于实现气体放电均匀化的难度较大、条件要求苛刻，传统技术主要致力于材料、装置、设备的高精度处理、加工与制造，通过精良的仪器设备来满足苛刻的条件要求，本实施例对装置设备并无过高要求，只是进行一般环境条件下气体放电的便捷调制操作；(2)传统技术的核心主要就是通过控制pd值来实现气体放电均匀化，较为生硬、单一，而本实施例的调制方法实际上是几个子方法、子途径的综合运用，更具灵活性与多样化；(3)本实施例蕴含的物理机理与传统方法不同，传统技术通过控制pd值来实现均匀化的本质是控制放电模式，而本实施例是着眼于放电非均匀性产生的主导因素与本质机理，通过逆向思维来获得消除非均匀性的方法，从而实现均匀化的目的。

具体的，本实施例将非均匀放电“调制”为均匀态，并非均匀态的“直接产生”技术；本实施例以降低研发与应用难度为目标，在“一般”的介质阻挡放电条件下进行操作，无需其他高精加工或特别设置，其中，“一般”的含义包括放电间隙在1mm量级以上、大气压空气环境、导电电极选用铜铁等常见金属或水、介质层采用玻璃、陶瓷等常用材质、驱动电压源采用交流、脉冲均可，且波形不限；进一步地，本实施例通过调制驱动频率、电压幅值、电压脉冲占空比以及外加磁场等实现均匀化，且所述的几种方法可单独使用，又可综合调制实现均匀化；同时，本实施例是采用“破坏非均匀放电的本质形成机制来实现均匀化”的原理，所以，以该思想为基础，对非均匀放电进行均匀化转变的方法途径还有很多，包括但不仅限于本发明提供的手段。

上述大气压气体放电均匀化的调制方法，主要利用交流电源驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化，和/或，利用脉冲电源驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化，和/或，施加外加磁场驱动气体放电，并调节所述外加磁场的参数对所述气体放电进行均匀化，即在掌握产生非均匀气体放电的主导因素与内在机理的基础上，在介质阻挡放电的形式下通过适当调节交流、脉冲电源或施加外加磁场的方式消除放电非均匀性，实现大气压气体放电均匀化，方法简单，成本低。

基于上述实施例的大气压气体放电均匀化的调制方法，本实施例还提供了一种大气压气体放电均匀化的调制装置，主要包括：

交流电源，用于驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或

脉冲电源，用于驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或

外加磁场产生设备，用于驱动气体放电，并调节所述外加磁场的参数对所述气体放电进行均匀化。

此外，本发明的特征和益处通过参考示例性实施例进行说明。相应地，本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例，这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神以权利要求书为准。