專利名稱：一種活性氣體流的發(fā)生裝置及其產(chǎn)生活性氣體流的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活性氣體流的發(fā)生裝置及其產(chǎn)生活性氣體流的方法，可產(chǎn)生中性活性氣體射流，特別適用于生物樣品或?qū)Νh(huán)境敏感的各種樣品表面的處理。
背景技術(shù)：
近幾十年來，由于人們的環(huán)境意識越來越強(qiáng)，工業(yè)上環(huán)境友好的工藝受到了普遍的歡迎，甚至有來自法律層面的要求。與通常的濕法工藝相比，低溫等離子體對各種材料表面處理的方法對環(huán)境更友好，因此在近些年來也受到更多的重視。一般來說為了獲得大面積均勻的效果，低溫等離子體工藝通常要求在低氣壓下完成。例如，工藝氣體壓強(qiáng)在1 左右，而系統(tǒng)的本底壓強(qiáng)通常要求在10-3 以下。因此低溫等離子體工藝系統(tǒng)的成本有相當(dāng)大一部分是用于真空的獲得、測量和維護(hù)上了。為了減少在真空系統(tǒng)上的投資，人們開發(fā)出了大氣壓下的低溫等離子體系統(tǒng)，利用介質(zhì)阻擋放電(DBD)方法產(chǎn)生等離子體射流就是其中之一。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的DBD等離子體射流裝置的示意圖。DBD等離子體射流裝置包括在一根內(nèi)部流過工作氣體006(如 Ar、He、CH4等，或混合氣體)的介電材料管004 (如石英或陶瓷管)，介電材料管外圍繞有金屬箔，分別作為高壓電極002和地電極001，高壓電極上加有交流高壓(脈沖，正弦波，或其它波形)且靠近介電材料管004的出口，地電極接地且靠近介電材料管004的入口(即地電極001位于氣流的上游)，當(dāng)交流電壓足夠高時會在高壓電極002附近和兩電極之間形成放電等離子體區(qū)007，并在管外形成等離子體射流008，該等離子體射流可以被用于處理各種材料的表面。在大多數(shù)情況下，低溫等離子體化學(xué)系統(tǒng)中起重要作用的是等離子體中形成的中性活性粒子，如各種分子碎片、基團(tuán)、準(zhǔn)分子、激發(fā)態(tài)原子或分子等，而等離子體中的離子、 特別是高能離子在許多情況下會對表面產(chǎn)生損傷。例如在使用等離子體射流直接對人體的某些器官或皮膚進(jìn)行處理時，雖然等離子體射流流經(jīng)人體的電流非常小，但仍然會使人感到不適。因此，如何將等離子體中產(chǎn)生的中性活性成分提取出來而將離子等高能的荷電粒子留在放電區(qū)，成為本領(lǐng)域有待解決的一個重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種活性氣體流發(fā)生裝置及其產(chǎn)生活性氣體流的方法，能夠?qū)⒌入x子體中產(chǎn)生的中性活性成分提取出來用于材料表面處理，而將離子等高能的荷電粒子留在放電區(qū)，為低溫等離子體應(yīng)用于環(huán)境敏感材料的表面處理或表面改性提供了可能。本發(fā)明提供了一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管，其內(nèi)部流過工作氣體；高壓電極，與介電材料管相接觸，并連接到交流電壓源；第一地電極，在高壓電極的下游與介電材料管相接觸，
其中所述交流電壓源向高壓電極提供低于預(yù)定閾值電壓的電壓，以產(chǎn)生活性氣體流。根據(jù)本發(fā)明提供的活性氣體流發(fā)生裝置，其中第一地電極圍繞在介電材料管的外周。根據(jù)本發(fā)明提供的活性氣體流發(fā)生裝置，其中高壓電極圍繞在介電材料管外周。根據(jù)本發(fā)明提供的活性氣體流發(fā)生裝置，其中高壓電極與介電材料管共同構(gòu)成氣體通路，高壓電極直接與放電氣體相接觸。本發(fā)明還提供另一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管，其內(nèi)部流過工作氣體；高壓電極，圍繞在介電材料管外周，并連接到交流電壓源；第一地電極，在高壓電極的下游與介電材料管相接觸，并與介電材料管一起形成工作氣體通路。根據(jù)本發(fā)明提供的活性氣體流發(fā)生裝置，還包括第二地電極，第二地電極在高壓電極的上游與介電材料管相接觸。本發(fā)明還提供一種產(chǎn)生活性氣體流的方法，包括1)向介質(zhì)材料管中通入工作氣體；2)向高壓電極上施加一低于閾值電壓的電壓，以使得介電材料管的出口流出中性活性氣體。根據(jù)本發(fā)明提供的產(chǎn)生活性氣體流的方法，其中步驟2)包括利用交流電壓源向高壓電極上施加電壓，以在介電材料管中起輝而形成放電等離子體區(qū)；調(diào)整施加到高壓電極上的電壓，使放電等離子體區(qū)的邊界在介電材料管的出口以內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明提供的產(chǎn)生活性氣體流的方法，其中步驟2、包括調(diào)整施加到高壓電極上的電壓，同時檢測介電材料管出口流出的氣體，直到該氣體中不含荷電粒子。本發(fā)明還提供一種產(chǎn)生活性氣體流的方法，包括1)向介質(zhì)材料管中通入工作氣體；2)向高壓電極上施加電壓，以使得介電材料管的出口流出中性活性氣體。本發(fā)明提供的活性氣體流發(fā)生裝置及其產(chǎn)生活性氣體流的方法能夠使活性氣體的溫度基本保持在常溫下(即氣體溫度主要由輸入的工作氣體的溫度決定)，不含或只含有極少量的荷電粒子(例如< IO5CnT3)，對表面不會產(chǎn)生由于荷電粒子對表面的轟擊形成的損傷，也不會使被處理表面荷電，由于其不含荷電粒子，并具有擴(kuò)散性，因此特別適合處理具有三維特性的表面，并具有較大的均勻處理區(qū)。


以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步說明，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的DBD等離子體射流裝置的剖面示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例1的活性氣體流發(fā)生裝置的剖面示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例2的活性氣體流發(fā)生裝置的剖面示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例3的活性氣體流發(fā)生裝置的剖面示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例4的活性氣體流發(fā)生裝置的剖面示意圖。
具體實施例方式本專利申請的發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，如圖1所示的等離子體射流裝置中，電極極性的不同安排會產(chǎn)生兩種不同類型的等離子體射流，雖然這兩種射流的外觀沒有大的區(qū)別，但是各自的形成機(jī)理是不同的。當(dāng)加有交流高壓的高壓電極靠近介電材料管的氣流出口、地電極靠近介電材料管的氣流入口(即地電極位于氣流的上游)時，等離子體射流是由高壓電極的電暈放電形成的，而與地電極沒有直接的關(guān)系，這時甚至可以取消該地電極，射流等離子體的電流回路由電荷通過擴(kuò)散過程流過大地來完成。因此這種等離子體射流實際上只需要單電極來完成。而當(dāng)加有交流高壓的高壓電極靠近介電材料管的氣流入口、地電極靠近介電材料管的氣流出口(即地電極位于氣流的下游)時，流出介電材料管的等離子體射流是由所謂的“電荷溢流”來實現(xiàn)的，即外加電壓足夠大時，電極間的放電產(chǎn)生的電荷在地電極介質(zhì)表面積累的電荷超出飽和值而流出地電極區(qū)形成的等離子體射流。這種等離子體射流的形成需要兩個電極，并且要求外加電壓必須超過一個閾值，以便形成“電荷溢流”。如果外加電壓小于該閾值則不會在地電極下游形成等離子體射流，雖然電極間的等離子體仍然是存在的。本發(fā)明正是利用了這后一種情況，即外加電壓小于一定閾值，在電極間產(chǎn)生放電等離子體而又沒有在地電極下游形成等離子體射流。這樣，等離子體中形成的亞穩(wěn)態(tài)粒子可以隨氣流流出介電材料管，并被射到被處理材料表面，而荷電粒子則被約束在放電電極之間。上面提到的放電電極表面都沒有直接與放電氣體接觸，相當(dāng)于電極表面覆蓋了一層電介質(zhì)材料(即上述的介電材料管的管壁)，這樣的放電形式稱為介質(zhì)阻擋放電(DBD)。 DBD放電僅要求在參與放電的兩個電極上至少有一個電極的表面覆蓋電介質(zhì)材料即可。下面提供幾種不同的實施例，在這些實施例中，電極和介電材料管的形狀、結(jié)構(gòu)有所不同。這些實施例僅為示例性的，根據(jù)本發(fā)明對下列實施例做出的改進(jìn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，因此同樣落入本發(fā)明的范圍。實施例1圖2為本實施例提供的一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管104，其內(nèi)部流過工作氣體106，如Ar、He、CH4等，或其混合氣體；高壓電極102，圍繞在介電材料管104外周，靠近介電材料管104的氣體入口附近， 該高壓電極102連接到交流電壓源105，在產(chǎn)生活性氣體流時，交流電壓源105向高壓電極 102提供低于閾值電壓的電壓；接地的地電極101，圍繞在介電材料管104的外周，位于高壓電極102的下游，接觸到介電材料管104的氣體出口附近。如上所述，通過將地電極設(shè)置在高壓電極的下游，并將施加到高壓電極上的電壓控制在閾值電壓以下，可使得等離子體中形成的亞穩(wěn)態(tài)粒子隨氣流流出介電材料管，并被射到被處理材料表面，而荷電粒子則被約束在放電電極之間。利用本實施例提供的裝置產(chǎn)生活性氣體流的方法包括向介質(zhì)材料管104中通入工作氣體；利用交流電壓源105向高壓電極102上施加高壓，以在介電材料管104中起輝而形成放電等離子體區(qū)107 ；
降低施加到高壓電極102上的電壓，使放電等離子體區(qū)的范圍縮小，直到放電等離子體區(qū)的邊界縮回到介電材料管104的出口之內(nèi)，即介電材料管104的出口之外沒有輝光，此時介電材料管104的出口流出中性活性氣體108。通過上述方法可保證流出介電材料管104的氣流中的主要成分為電中性的原子、 原子團(tuán)(各種激發(fā)態(tài)或基態(tài))，自由基團(tuán)，亞穩(wěn)態(tài)粒子，各種分子碎片，各種可見或紫外光子，等等，但不含或極少含有電子、離子等荷電粒子。如前所述，加到高壓電極上的電壓必須低于一定的閾值電壓才能將荷電粒子約束在放電電極之間，而使介電材料管104流出中性活性氣體，該閾值電壓可由上述方法確定 (即將放電等離子體區(qū)的邊界縮回到介電材料管104出口時所對應(yīng)的電壓作為閾值電壓)， 或者利用檢測設(shè)備檢測，當(dāng)檢測到介電材料管104出口流出的氣體中不含荷電粒子時所對應(yīng)的電壓即為閾值電壓。記錄下來確定的閾值電壓，在以后的使用中，起輝后直接將加至高壓電極的電壓調(diào)至該閾值電壓以下即可。閾值電壓與地電極的尺寸、形狀、氣體種類等因素有關(guān)，一般來說，地電極越寬，閾值電壓越大。若地電極足夠?qū)?，則閾值電壓可能大于起輝所需的電壓，此時起輝后，可不必降低高壓電極上的電壓，甚至可根據(jù)需要繼續(xù)增大高壓電極上的電壓，只要不大于閾值電壓即可。實施例2圖3為本實施例提供的另一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管204，其內(nèi)部流過工作氣體206，如Ar、He、CH4等，或其混合氣體；高壓電極202，圍繞在介電材料管204外周，連接到交流電壓源205，在產(chǎn)生活性氣體流時，交流電壓源205向高壓電極202提供低于閾值電壓的電壓；接地的地電極201，圍繞在介電材料管204外周，位于高壓電極202的下游，接觸到介電材料管204的氣體出口附近；接地的入口地電極203，圍繞在介電材料管204外周，位于高壓電極202的上游，接觸到介電材料管204的氣體入口附近。本實施例與實施例1的區(qū)別在于，在高壓電極202的上游增加了一個入口地電極 203，入口地電極203可以限制高壓電極202在其上游一側(cè)放電的范圍，防止放電范圍超出介電材料管的氣體入口，避免對設(shè)備造成的損傷。為了使放電不會溢出該地電極，其寬度應(yīng)不小于下游的地電極。利用與實施例1提供的裝置相同的產(chǎn)生活性氣體流的方法，本實施例提供的裝置可在介電材料管的出口產(chǎn)生中性活性氣體208。實施例3圖4為本實施例提供的另一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管304，其內(nèi)部流過工作氣體306，如Ar、He、CH4等，或其混合氣體，介電材料管304具有兩部分3(Ma、304b，分別位于高壓電極302的兩側(cè)，介電材料管304上具有多個徑向向外的凸起a、b。高壓電極302由金屬材料制成，與介電材料管的兩部分3(Ma、304b共同構(gòu)成氣體通路，高壓電極302直接與放電氣體接觸，并被連接到交流電壓源305，在產(chǎn)生活性氣體流時，交流電壓源305向高壓電極302提供低于閾值電壓的電壓；
接地的地電極301，圍繞在介電材料管304外周，位于高壓電極302的下游，介電材料管304的氣體出口附近；接地的入口地電極303，圍繞在介電材料管304外周，位于高壓電極302的上游，介電材料管304的氣體入口附近。本實施例與實施例2的一個區(qū)別在于，介電材料管304外周具有凸起，該凸起可將地電極301、高壓電極302、入口地電極303相互隔開，以防止在介電材料管外發(fā)生電極之間的放電。本實施例與實施例2的另一個區(qū)別在于，高壓電極302直接與放電氣體接觸。因為DBD放電僅要求在參與放電的兩個電極上至少有一個電極的表面覆蓋電介質(zhì)材料即可， 因此當(dāng)接地的地電極301圍繞在介電材料管304外周時，與氣體之間間隔有介電材料管，此時高壓電極與氣體之間可不必間隔介電材料管。利用與實施例1提供的裝置相同的產(chǎn)生活性氣體流的方法，本實施例提供的裝置可在介電材料管的出口產(chǎn)生中性活性氣體308。實施例4圖5為本實施例提供的又一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管404，其內(nèi)部流過工作氣體406，如Ar、He、CH4等，或其混合氣體，介電材料管404上具有多個徑向向外的凸起a、b ；高壓電極402，圍繞在介電材料管404外周，位于兩個凸起a、b之間的凹處，高壓電極402連接到交流電壓源405，在產(chǎn)生活性氣體流時，交流電壓源405向高壓電極402提供產(chǎn)生放電的電壓和電流；接地的地電極401，位于高壓電極402的下游，與介電材料管404的氣體出口相接觸，地電極401中具有通孔410，該通孔410與介電材料管404 —起形成氣體通路，流過介電材料管404的氣體與地電極401相接觸，并通過地電極401的通孔排出，地電極401與高壓電極被介電材料管404的凸起a隔開；接地的入口地電極403，位于高壓電極402的上游，與介電材料管404的氣體入口相接觸，入口地電極403中具有通孔409，該通孔409與介電材料管404 —起形成氣體通路， 氣體與入口地電極403相接觸通過入口地電極403的通孔409流入介電材料管404，入口地電極403與高壓電極被介電材料管404的凸起b隔開。本實施例與實施例3的區(qū)別在于，接地電極401、403與放電氣體直接接觸，而高壓電極402覆蓋在介電材料管404的外圍。在這樣的放電條件下，由于接地電極401、403與放電氣體直接接觸，而沒有介質(zhì)阻擋，因此電荷直接通過接地電極而流走，電荷不會流出管外，因此加到高壓電極上的電壓沒有閾值電壓的限制，即可阻擋放電中產(chǎn)生的電荷的外溢， 在氣流出口產(chǎn)生中性活性氣體408。因此，利用本實施例提供的裝置產(chǎn)生活性氣體流的方法包括向介質(zhì)材料管404中通入工作氣體；利用交流電壓源405向高壓電極402上施加高壓，以在介電材料管404中起輝而形成放電等離子體區(qū)407。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，例如，地電極的寬度為5cm，高壓電極的寬度為5cm，兩電極相距3cm，向介電材料管中通入氦氣，則閾值電壓約為15kV-20kV。又如，地電極的寬度為2cm，高壓電極的寬度為5cm，兩電極相距3cm，向介電材料管中通入氦氣，則閾值電壓約為IOkV左右。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中介電材料管可以由石英、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、 PVC, PET等制成。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，施加到高壓電極上的交流電壓可以是正弦波、方波或脈沖等，頻率一般在50Hz至100kHz。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，工作氣壓可以在lO-lOOOkPa，一個大氣壓的條件更便于應(yīng)用，氣體種類根據(jù)不同的表面處理的要求而定。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，根據(jù)不同的氣體以及電極間距，閾值電壓的范圍一般在 l-100kV。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，除了在介電材料管上設(shè)置凸起之外，還可以利用其他本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的結(jié)構(gòu)來防止介電材料管外電極之間的放電，例如在電極上覆蓋介電層。最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括 介電材料管，其內(nèi)部流過工作氣體；高壓電極，與介電材料管相接觸，并連接到交流電壓源； 第一地電極，在高壓電極的下游與介電材料管相接觸，其中所述交流電壓源向高壓電極提供低于預(yù)定閾值電壓的電壓，以產(chǎn)生活性氣體流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性氣體流發(fā)生裝置，其中第一地電極圍繞在介電材料管的外周。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性氣體流發(fā)生裝置，其中高壓電極圍繞在介電材料管外周。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性氣體流發(fā)生裝置，其中高壓電極與介電材料管共同構(gòu)成氣體通路，高壓電極直接與工作氣體相接觸。
5.一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括 介電材料管，其內(nèi)部流過工作氣體；高壓電極，圍繞在介電材料管外周，并連接到交流電壓源；第一地電極，在高壓電極的下游與介電材料管相接觸，并與介電材料管一起形成工作氣體通路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項權(quán)利要求所述的活性氣體流發(fā)生裝置，還包括第二地電極，第二地電極在高壓電極的上游與介電材料管相接觸。
7.一種利用權(quán)利要求1所述的裝置產(chǎn)生活性氣體流的方法，包括1)向介質(zhì)材料管中通入工作氣體；2)向高壓電極上施加一低于閾值電壓的電壓，以使得介電材料管的出口流出中性活性氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生活性氣體流的方法，其中步驟幻包括利用交流電壓源向高壓電極上施加電壓，以在介電材料管中起輝而形成放電等離子體區(qū)；調(diào)整施加到高壓電極上的電壓，使放電等離子體區(qū)的邊界在介電材料管的出口以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生活性氣體流的方法，其中步驟幻包括調(diào)整施加到高壓電極上的電壓，同時檢測介電材料管出口流出的氣體，直到該氣體中不含荷電粒子。
10.一種利用權(quán)利要求5所述的裝置產(chǎn)生活性氣體流的方法，包括1)向介質(zhì)材料管中通入工作氣體；2)向高壓電極上施加電壓，以使得介電材料管的出口流出中性活性氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種活性氣體流發(fā)生裝置，包括介電材料管，其內(nèi)部流過工作氣體；高壓電極，與介電材料管相接觸，并連接到交流電壓源；第一地電極，在高壓電極的下游與介電材料管相接觸，其中所述交流電壓源向高壓電極提供低于預(yù)定閾值電壓的電壓，以產(chǎn)生活性氣體流。本發(fā)明還提供一種產(chǎn)生活性氣體流的方法，包括向介質(zhì)材料管中通入工作氣體；向高壓電極上施加一低于閾值電壓的電壓，以使得介電材料管的出口流出中性活性氣體。
文檔編號H01J37/02GK102254774SQ201110139739
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者曹則賢, 江南, 紀(jì)愛玲 申請人:中國科學(xué)院物理研究所