專利名稱：等離子體射流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體發(fā)生裝置，具體涉及一種氣體放電等離子體射 流裝置。
背景技術(shù)：
等離子體通常由正離子、中性粒子和電子組成， 一般等離子體可以 分為兩類熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體。熱平衡表示等離子體 中所有粒子的溫度一樣。
在非熱平衡等離子體中，電子的溫度可高達數(shù)萬度，而離子和中性 粒子的溫度遠小于電子溫度，這種"熱的冷卻物"優(yōu)點眾多，非熱平衡 等離子體可作為高活性反應(yīng)物廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如等離子體沉積和 鍍膜、刻蝕、表面處理、化學(xué)凈化，生物凈化以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
大氣壓下，由于工作氣體擊穿電壓相對較高，通常放電間隙距離非 常有限， 一般為數(shù)毫米至數(shù)厘米之間，這直接限制了被處理物品的形狀 和大小。假如采用等離子體間接處理，由于其中許多活性成份，如氧原 子和許多帶電粒子壽命非常短暫，以至于還沒到達被處理物表面就消失， 導(dǎo)致處理效率非常低。為了解決上述問題，最近大氣壓非熱平衡等離子 體射流裝置備受關(guān)注，其可以直接在外界空間中產(chǎn)生等離子體射流，相 對于狹窄間隙的放電等離子體具有獨特的優(yōu)勢，并可以直接處理物品， 同時被處理物品的形狀和大小不受任何限制。
以下是幾種現(xiàn)有的非熱平衡等離子體射流裝置-(1)交流非熱平衡等離子體射流裝置
Yong Cheol Hong etal. "Microplasma jet at atmospheric pressure" Appl
4Physics Letter 89， 221504 (2006)中，描述了一種大氣壓下以氮氣為工作氣 體產(chǎn)生等離子射流的裝置，如圖1所示，該裝置包括電極3、接地電極ll、 介質(zhì)圓片13、介質(zhì)容器12和(交流)電源l，電極3和接地電極11由介質(zhì) 圓片13隔開，并共同置于介質(zhì)容器12中，(交流)電源1連接電極3和接地 電極ll;工作時，(交流)電源l調(diào)至高壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的 流量速度向介質(zhì)容器12輸入工作氣體6 (氮氣)，在電極3和接地電極11間 進行放電產(chǎn)生等離子體，并從氣體輸出口16以約255米/秒的速度噴射出 等離子體射流5，等離子體射流5長度6.5厘米，溫度接近室溫。電極3和 接地電極11都與等離子體射流5直接接觸，易發(fā)生弧光放電，對于牙齒清 洗、根管治療以及傷口輔助愈合等一些實際應(yīng)用不安全。
類似的裝置還有Jialing Zhang etal. "A novel cold plasma jet generated by atmospheric dielectric barrier capillary discharge" thin solid films 506(2007)中描述的一種產(chǎn)生低溫等離子體射流的裝置，如圖2所示，該裝 置包括電極3、接地電極ll、介質(zhì)容器12、氣體調(diào)控開關(guān)8和(交流)電 源l。電極3為鎢材料電極，位于介質(zhì)容器12中央并與(交流)電源1連接， 接地電極11緊貼介質(zhì)容器12外壁，工作氣體6從氣體輸入口7進入，由氣 體調(diào)控開關(guān)8控制其流量，操作時產(chǎn)生等離子體射流5。該裝置電極3裸露 在外部空間中，并與等離子體射流5直接接觸，對于一些實際應(yīng)用也不安 全。
(2)射頻非熱平衡等離子體射流裝置 E stoffels etal."Plasma needle for in vivo medical treatment:recent developments and perpectives" Plasma Source Sci. Technol. 15 (2006)中，描
述了一種射頻等離子體針裝置，如圖3所示，該裝置包括電極3、介質(zhì)容 器12、絕緣介質(zhì)層17、電源(射頻)1。絕緣介質(zhì)層17為直徑4毫米的陶 瓷管。電源1為10兆赫茲的射頻電源，與電極3相連。電極3為直徑0.3毫 米的鎢絲，放置于絕緣介質(zhì)層17中央，頂端不包含于絕緣介質(zhì)層17內(nèi)，裸露于外部空間中，并與絕緣介質(zhì)層17—起由固定架14固定于介質(zhì)容器 12中央，工作氣體6從氣體輸入口7輸入。操作時能產(chǎn)生相應(yīng)直徑為2. 5毫 米的等離子體射流5。該裝置的電極3頂端部分暴露于外部空間中，并與 等離子體射流5直接接觸，產(chǎn)生的等離子體射流5長度短、溫度較高，距 離電極3尖端1. 5毫米和2. 5毫米處的等離子體射流5溫度分別為90攝氏度 和50攝氏度。
(3) 微波非熱平衡等離子體射流裝置
由于磁電管微波發(fā)生器產(chǎn)生等離子體裝置結(jié)構(gòu)程序復(fù)雜，產(chǎn)生的等 離子體射流溫度高，長度短，具體應(yīng)用范圍相對較窄，不詳細介紹。
(4) 脈沖直流非熱平衡等離子體射流裝置 采用脈沖直流電源進行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體是最近比較熱門
的研究方向。Xinpei Lu etal. "Dynamics of an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecond voltage pulses，，J Appl.Phys 100. 063302(2006) 中，描述了一種等離子體筆裝置，如圖4所示，該裝置包括電極3、接地 電極ll、介質(zhì)容器12、介質(zhì)圓片13、介質(zhì)圓環(huán)15、電源l。電極3和接地 電極ll均為相同尺寸的金屬圓環(huán)，分別粘貼于兩塊介質(zhì)圓片13上，之間 隔有介質(zhì)圓環(huán)15，并一起位于介質(zhì)容器12前端。工作氣體6為氦氣，電源 l為脈沖直流電源。操作時能產(chǎn)生5厘米長的等離子體射流5，等離子體射 流5溫度接近室溫。該裝置不足之處在于一定條件下，比如電壓脈寬高于 10us時電極3和接地電極ll間可能發(fā)生電弧放電。
如上所述，現(xiàn)有裝置都各自存在類似的不足。類似的缺陷也同樣存 在于最近的一些等離子體射流產(chǎn)生方法、裝置和系統(tǒng)中，例如美國專利 號為5369336"Plasma Generating Device" Hideomi Koinuma et al, 專禾U號 6，262,523"Large area atmospheric—Pressure Plasma Jet" by Gary S. Selwyn et al，禾口專利號7271363 "Portanle microwave plasma systems including a supply line for gas and microwaves" by Lee et al.這些因素都大大的限制了
6現(xiàn)有等離子體射流技術(shù)及裝置的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種等離子體射流裝置，解決現(xiàn)有等離子體射流裝置存 在的電極不安全或電極和接地之間可能發(fā)生電弧放電的問題。
本發(fā)明的一種等離子體射流裝置，包括電源、工作氣體源、電極、 氣體調(diào)控開關(guān)，氣體調(diào)控開關(guān)控制工作氣體源的工作氣體從電極的氣體 輸入口進入電極中；其特征在于
電極通過串聯(lián)的電阻和電容與電源連接；
所述電極呈空心管狀， 一端具有氣體輸入口，另一端具有氣體輸出□。
所述的等離子體射流裝置，所述電極可以具有多個氣體輸出口。 所述的等離子體射流裝置，所述電極氣體輸出口的徑向截面形狀為 圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
所述的等離子體射流裝置，所述電極的側(cè)面可以具有通氣孔。
所述的等離子體射流裝置，其進一步特征在于
所述電極套接在呈空心管狀的介質(zhì)容器上，或者嵌接于呈空心管狀 的介質(zhì)容器內(nèi)，介質(zhì)容器具有氣體輸入、輸出口。
上述的等離子體射流裝置，所述介質(zhì)容器也可以具有多個氣體輸出□。
所述的等離子體射流裝置，所述電極的氣體輸出口套接有導(dǎo)電材料 構(gòu)成的噴嘴；噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的 一種。
所述的等離子體射流裝置，所述噴嘴側(cè)面可以具有通氣孔。
本發(fā)明工作時，電阻和電容主要起控制施加在電極上的電壓以及放 電電流的作用，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，電極氣體輸 出口或噴嘴前端空間場強以及放電電流可以不同，產(chǎn)生的等離子體射流 溫度可接近室溫或高于室溫，產(chǎn)生的等離子體射流長度可變，等離子體 射流的徑向截面可大可小。產(chǎn)生射流溫度接近室溫時，人體可以安全的 與之接觸。而且工作氣體可以是氦氣、氬氣、氮氣、氧氣等單質(zhì)氣體或 混有其他氣體的混合氣體，也可以是空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機物等， 有利于增加等離子體射流中活性成份的種類和數(shù)量。本發(fā)明易制作、易 維護、使用方便、成本低、易于攜帶，具有多種實際應(yīng)用，比如刻蝕、 沉積、表面處理、表面清洗、凈化、食物處理、牙齒清洗以及根管治療 等。根據(jù)不同的具體應(yīng)用，選擇不同的驅(qū)動電源和不同的工作氣體，產(chǎn) 生的等離子體射流溫度可以改變，可以低于室溫、接近室溫或高于室溫。 同時采用不同構(gòu)造的噴嘴，噴射出來的等離子體射流可以具有多種形狀， 同時可以向各個方向擴散，其中含有的活性物質(zhì)成份的種類及數(shù)量也可 以根據(jù)具體應(yīng)用進行選擇，并可以實現(xiàn)常溫常壓下大規(guī)模大面積的具體 應(yīng)用。


圖l為現(xiàn)有一種交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖； 圖2為現(xiàn)有另一種交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖； 圖3為現(xiàn)有射頻等離子體針示意圖； 圖4為現(xiàn)有脈沖直流等離子體筆示意8圖5為本發(fā)明第一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明第二個實施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明第三個實施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本發(fā)明第四個實施例結(jié)構(gòu)示意圖9 (a)、圖9 (b)為各實施例均可采用的電極的徑向截面圖，圖9 (a)電極上有6個氣體輸出口，分兩排平行排列；圖9 (b)電極上有9個 氣體輸出口，分三排平行排列；
圖10 (a)、圖10 (b)分別為各實施例均可采用的電極的徑向截面圖 和側(cè)視圖，電極上有10個通氣孔，分兩排平行排列。
圖ll (a)、圖ll (b)為噴嘴的徑向截面示意圖，圖ll (c)為噴嘴 的側(cè)視圖。
具體實施例方式
以下根據(jù)附圖對本發(fā)明進一步說明。
如圖5所示為本發(fā)明的第一個實施例，包括電源l、工作氣體源2、電 極3、電阻9、電容IO，由不銹鋼制成的電極3通過電阻9和電容10與電源1 相連；電極3呈空心管狀，其上有氣體輸入口7和氣體輸出口16。通過氣 體調(diào)控開關(guān)8控制工作氣體源2的工作氣體6從氣體輸入口 7進入電極3中， 產(chǎn)生的等離子體射流5從電極3的氣體輸出口 16噴出。
調(diào)節(jié)氣體調(diào)控開關(guān)8，工作氣體6 (氦氣)從工作氣體源2以0.4升/分 鐘流量通入電極3，電阻9為8千歐，電容10為1皮法；電源l為交流電源， 電壓幅值為5千伏，頻率38千赫茲；由于電極3的氣體輸出口16前端的外 部空間場強高，發(fā)生氣體放電，產(chǎn)生等離子體射流5，其溫度接近室溫， 人體的手可以直接接觸。
圖6為本發(fā)明第二個實施例結(jié)構(gòu)示意圖包括電源1、工作氣體源2、 電極3、電阻9、電容10和介質(zhì)容器12，由銅制成的電極3通過電阻9和電容10與電源1相連；電極3和介質(zhì)容器12均呈空心管狀，電極3 套接在聚氯乙烯制成的介質(zhì)容器12的氣體輸出口 ；電極3上有噴嘴4， 通過氣體調(diào)控開關(guān)8控制工作氣體源2的工作氣體6從氣體輸入口 7進 入介質(zhì)容器12中。產(chǎn)生的等離子體射流5從噴嘴4噴出。
調(diào)節(jié)氣體調(diào)控開關(guān)8，工作氣體6 (氮氣)從工作氣體源2以2.0升 /分鐘流量通入介質(zhì)容器12，電阻9為500歐，電容10為0.5皮法；電 源l為交流射頻電源，電壓幅值為500伏，頻率13.65兆赫茲。
圖7為本發(fā)明第三個實施例結(jié)構(gòu)示意圖，包括電源1、工作氣體源2、 電極3、電阻9、電容10和介質(zhì)容器12;由鋁制成的電極3通過電阻9 和電容10與電源1相連；電極3和介質(zhì)容器12均呈空心管狀，電極3 嵌接于氧化鋁陶瓷制成的介質(zhì)容器12內(nèi)；噴嘴4為獨立結(jié)構(gòu)，由不銹鋼 制成，套接在電極3的氣體輸出口。通過氣體調(diào)控開關(guān)8控制工作氣體 源2的工作氣體6從氣體輸入口 7進入介質(zhì)容器12中，產(chǎn)生的等離子體 射流5從噴嘴4噴出。
調(diào)節(jié)氣體調(diào)控開關(guān)8，工作氣體6 (氬氣)從工作氣體源2以1.0升 /分鐘流量通入介質(zhì)容器12，電阻9為6千歐，電容10為3皮法；電源 l為脈沖直流電源，施加脈沖直流電壓幅值為6千伏，頻率4千赫茲，脈 寬200納秒。
上述實施例中，電極3還可以由鉤等導(dǎo)電性材料制成；介質(zhì)容器12 還可以由塑料、石英玻璃、派克拉斯玻璃等其它絕緣材料制成，形狀以 及尺寸根據(jù)具體實際應(yīng)用確定。
圖5的第一個實施例中，電極3的氣體輸出口 16也可以與具有擬合 接口的噴嘴相套接。圖6的第二個實施例中，噴嘴4也可以為鉤、銅、 鋁或不銹鋼等導(dǎo)電材料構(gòu)成的獨立結(jié)構(gòu)，具有與電極3相擬合連接的接
圖8為本發(fā)明第四個實施例結(jié)構(gòu)示意圖，包括電源1，工作氣體源2，電極3，電阻9，電容10和介質(zhì)容器12;聚氯乙烯制成的介質(zhì)容器12呈 空心管狀，其上有9個氣體輸出口，分三排平行排列；9個不銹鋼制成的 電極3分別套接于介質(zhì)容器12的各個氣體輸出口 ；每個電極3上有噴嘴 4，多個電極3相互連通，通過電阻9和電容10與電源1相連；氣體調(diào) 控開關(guān)8控制工作氣體6從氣體輸入口 7進入介質(zhì)容器12中，產(chǎn)生的等 離子體射流5從噴嘴4噴出。。
調(diào)節(jié)氣體調(diào)控開關(guān)8，工作氣體6 (空氣)從工作氣體源2以1.0升 /分鐘流量通入電極3，電阻9為20千歐，電容10為30皮法；電源l為 脈沖直流電源，施加脈沖直流電壓幅值為IO千伏，頻率10千赫茲，脈 寬200納秒。
其中各電極3也可以分別通過一對電阻9和電容10與電源相連，可 以產(chǎn)生強度和溫度各不相同的等離子體射流5。
圖9為實施例1 4中均可采用的電極的徑向截面圖，圖9 (a)為電 極3上有6個氣體輸出口 16，分兩排平行排列，每個氣體輸出口均可套 接噴嘴4;圖9 (b)為電極3上有9個圓錐狀氣體輸出口 16，分三排平 行排列。
圖10 (a)、圖10 (b)分別為一種空心管狀電極的徑向截面圖和側(cè) 視圖，電極3徑向截面為圓形，電極側(cè)面有10個通氣孔3.1，分兩排平 行排列。
圖11 (a)、圖11 (b)分別為徑向截面是圓形和跑道形的噴嘴，適 用于產(chǎn)生細棒狀和片狀等離子體射流。
圖11 (c)表示噴嘴4側(cè)面有通氣孔4. 1，適用于上述所有的實施例， 通氣孔4. 1的形狀和數(shù)量根據(jù)實際需要確定，例如，通氣孔4. 1形狀為 圓形，數(shù)量為15個。通氣孔4. 1可以使產(chǎn)生的等離子體向各個方向擴散， 可以提高具體應(yīng)用如牙齒根管治療或材料表面清理的處理效果。
以上實施例中，電極3的氣體輸出口或噴嘴的徑向截面形狀可以為
ii圓形，橢圓形，跑道形，矩形，多邊形之中的一種，根據(jù)具體實際應(yīng)用 確定。
電阻9阻值應(yīng)大于1歐姆，電容10電容值應(yīng)小于10法。 當(dāng)電源1為交流電源時，施加交流電壓幅值范圍可以為220伏 60 千伏，頻率50赫茲 13.65兆赫茲；電源l為脈沖直流電源時，施加脈 沖直流電壓幅值范圍可以為220伏 50千伏，頻率50赫茲 100兆赫茲， 脈寬大于或等于1納秒。產(chǎn)生的等離子體射流長度大于0. 1毫米，溫度 可接近室溫或高于室溫。
權(quán)利要求
1. 一種等離子體射流裝置，包括電源、工作氣體源、電極、氣體調(diào)控開關(guān)，氣體調(diào)控開關(guān)控制工作氣體源的工作氣體從電極的氣體輸入口進入電極中；其特征在于電極通過串聯(lián)的電阻和電容與電源連接；所述電極呈空心管狀，一端具有氣體輸入口，另一端具有氣體輸出口。
2. 如權(quán)利要求1所述的等離子體射流裝置，其特征在于 所述電極具有多個氣體輸出口 。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特征在于-所述電極的側(cè)面具有通氣孔。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特征在于所述電極氣體輸出口的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩 形或多邊形中的一種。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特征在于所述電極套接在呈空心管狀的介質(zhì)容器上，或者嵌接于呈空心管狀 的介質(zhì)容器內(nèi)，介質(zhì)容器具有氣體輸入、輸出口。
6. 如權(quán)利要求5所述的等離子體射流裝置，其特征在于所述介質(zhì)容器具有多個氣體輸出口 。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特征在于 所述電極的氣體輸出口套接有導(dǎo)電材料構(gòu)成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
8. 如權(quán)利要求3所述的等離子體射流裝置，其特征在于 所述電極的氣體輸出口套接有導(dǎo)電材料構(gòu)成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
9. 如權(quán)利要求5所述的等離子體射流裝置，其特征在于 所述電極的氣體輸出口套接有導(dǎo)電材料構(gòu)成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
10. 如權(quán)利要求6所述的等離子體射流裝置，其特征在于 所述電極的氣體輸出口套接有導(dǎo)電材料構(gòu)成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
11. 如權(quán)利要求7所述的等離子體射流裝置，其特征在于 所述噴嘴側(cè)面具有通氣孔。
12. 如權(quán)利要求8、 9或10所述的等離子體射流裝置，其特征在于: 所述噴嘴側(cè)面具有通氣孔。
全文摘要
等離子體射流裝置，屬于等離子體發(fā)生裝置，解決現(xiàn)有等離子體射流裝置存在的電極不安全或電極和接地之間可能發(fā)生電弧放電的問題。本發(fā)明包括電源、工作氣體源、電極，工作氣體源的工作氣體從電極的氣體輸入口進入電極中；電極呈空心管狀，一端具有氣體輸入口，另一端具有氣體輸出口，通過電阻和電容與電源連接。本發(fā)明易制作、易維護、使用方便、成本低、易于攜帶，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，以及不同的驅(qū)動電源和工作氣體，產(chǎn)生的等離子體射流溫度可以不同，等離子體射流溫度接近室溫時，人體可以與之安全的接觸，同時等離子體射流可以具有多種形狀，可以同時向各個方向擴散，并可以實現(xiàn)常溫常壓下大規(guī)模大面積的具體應(yīng)用。
文檔編號H01J37/32GK101426327SQ20081023669
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者盧新培, 垣 潘, 青 熊, 熊紫蘭, 鮮于斌 申請人:華中科技大學(xué)