本發(fā)明涉及等離子體射流技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

大氣壓低溫等離子體含有多種高活性粒子，被廣泛應(yīng)用于材料表面改性、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境處理等領(lǐng)域。一體化、便攜式的等離子體設(shè)備對(duì)促進(jìn)等離子體在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。

現(xiàn)有的等離子體發(fā)生裝置放電結(jié)構(gòu)受到眾多因素的限制：(1)傳統(tǒng)的等離子激勵(lì)電源采用交流或直流電源，發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，放電效率低；(2)氣體放電等離子體工作于強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中，為了保證等離子體發(fā)生裝置的安全運(yùn)行，必須配合復(fù)雜的絕緣和接地系統(tǒng)，使得等離子體發(fā)生裝置同時(shí)受到絕緣介質(zhì)材料、尺寸以及形狀的約束；(3)現(xiàn)有的等離子體發(fā)生裝置受限于氣體放電的原理和空間活性粒子較短的壽命，尤其是工作于大氣壓環(huán)境下的低溫等離子體，放電間隙更窄，活性粒子壽命更短，等離子體發(fā)生裝置的工作空間和處理物的空間嚴(yán)重受限且放電電壓及溫度較高。

正是由于這些因素的限制，導(dǎo)致現(xiàn)有的等離子體射流裝置與激勵(lì)電源均是獨(dú)立結(jié)構(gòu)，電源體積龐大，靈活性差。例如：Yong Cheol Hong et al.“Microplasma jet at atmospheric pressure”Applied Physics Letter 89,221504(2006)中描述了一種交流激勵(lì)的等離子體射流裝置，高壓電極直接裸露在外部空間中，對(duì)于一些實(shí)際應(yīng)用不安全；E Stoffels et al“Plasma needle for in vivo medical treatment:recent developments and perpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006)中描述了一種射頻激勵(lì)的等離子體射流裝置，等離子體射流的電極直接暴露于外部空間中，無(wú)地電極；Xinpei Lu et al.“Dynamics of an atmospheric pressure plasma generated by submicrosecond voltage pulses”J Appl.Phys 100,063302(2006)中描述了一種脈沖直流激勵(lì)的等離子體筆裝置，該裝置由雙環(huán)狀電極組成，當(dāng)施加脈沖直流時(shí)最長(zhǎng)可以產(chǎn)生5cm的等離子體射流，但當(dāng)電壓脈沖高于10us時(shí)，兩電極間易發(fā)生電弧放電。申請(qǐng)?zhí)枮?00810236697.7的發(fā)明專利描述了一種電極呈空心管狀的等離子體射流裝置，該裝置對(duì)射流直徑要求較為苛刻，當(dāng)射流直徑較大時(shí)，很難產(chǎn)生放電，且放電電流大，不可觸摸。

綜上來(lái)看，現(xiàn)有的等離子體發(fā)生裝置多為固定電極結(jié)構(gòu)，且等離子體發(fā)生裝置與激勵(lì)電源相分離，龐大的電源結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的線路系統(tǒng)使裝置的靈活性受限，隨著低溫等離子體運(yùn)用范圍的拓展，有必要提升裝置的靈活性，促進(jìn)其在工業(yè)和科研領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一體化、方便攜帶，并且可以應(yīng)用于眾多場(chǎng)合的微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置。

本發(fā)明提供了一種微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置，包括微秒脈沖激勵(lì)電源、等離子體射流裝置和反應(yīng)氣體裝置，所述微秒脈沖激勵(lì)電源通過(guò)連接線內(nèi)設(shè)置的高壓線與所述等離子體射流裝置的高壓端連接，所述反應(yīng)氣體裝置內(nèi)的反應(yīng)氣體通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入所述微秒脈沖激勵(lì)電源的進(jìn)氣口，并通過(guò)所述連接線內(nèi)設(shè)置的出氣管進(jìn)入所述等離子體射流裝置中；

其中，

所述微秒脈沖激勵(lì)電源包括低壓模塊和高壓模塊，所述低壓模塊包括調(diào)壓器T、整流橋、倍壓回路、觸發(fā)控制電路和吸收保護(hù)電路，所述高壓模塊包括脈沖變壓器PT，所述調(diào)壓器T的原邊與所述交流電壓連接，所述調(diào)壓器T的副邊與所述整流橋連接，所述整流橋與所述倍壓回路連接，所述倍壓回路與所述觸發(fā)控制電路和所述吸收保護(hù)電路連接，所述倍壓回路與所述脈沖變壓器PT的原邊連接，所述脈沖變壓器PT的副邊與所述等離子體射流裝置連接；外部輸入的交流電壓經(jīng)過(guò)所述調(diào)壓器T調(diào)壓后作為所述微秒脈沖激勵(lì)電源的輸入電壓，該輸入電壓經(jīng)過(guò)所述整流橋后轉(zhuǎn)換成直流電壓；所述倍壓回路對(duì)該直流電壓進(jìn)行升壓充電，得到初始脈沖，并在所述觸發(fā)控制電路的控制下進(jìn)行放電，通過(guò)所述脈沖變壓器PT耦合對(duì)所述等離子體射流裝置輸出高壓微秒脈沖；所述觸發(fā)控制電路控制所述倍壓回路中開關(guān)IGBT的開通和關(guān)斷，對(duì)所述倍壓回路進(jìn)行隔離；所述吸收保護(hù)電路吸收所述開關(guān)IGBT在開通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電流和過(guò)電壓；

所述等離子體射流裝置通過(guò)距離調(diào)節(jié)按鈕固定在金屬支架上，且所述等離子體射流裝置的外殼通過(guò)所述金屬支架接地，所述金屬支架固定在處理平臺(tái)上。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述倍壓回路包括電阻R1、一級(jí)電容C1、二級(jí)電容C2、升壓電感L、充電二極管D1和開關(guān)IGBT，所述電阻R1和所述一級(jí)電容C1串聯(lián)，所述一級(jí)電容C1、所述升壓電感L、所述充電二極管D1和所述二級(jí)電容C2串聯(lián)，所述開關(guān)IGBT的柵極與所述觸發(fā)控制電路連接，所述開關(guān)IGBT的集電極與所述充電二極管D1的負(fù)極連接，所述開關(guān)IGBT的發(fā)射極與所述吸收保護(hù)電路連接；

所述整流橋轉(zhuǎn)換后的直流電壓經(jīng)過(guò)所述電阻R1對(duì)所述一級(jí)電容C1充電；

所述一級(jí)電容C1通過(guò)所述升壓電感L、所述充電二極管D1、所述脈沖變壓器PT的勵(lì)磁電感和漏感對(duì)所述二級(jí)電容C2升壓充電；

所述開關(guān)IGBT開通時(shí)，所述二級(jí)電容C2由所述開關(guān)IGBT、所述脈沖變壓器PT的漏感和所述脈沖變壓器PT的原邊構(gòu)成的回路放電。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述一級(jí)電容C1由多個(gè)電解電容并聯(lián)組成。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述觸發(fā)控制電路包括脈沖發(fā)生器、光電轉(zhuǎn)換部分和驅(qū)動(dòng)回路，所述脈沖發(fā)生器與所述光電轉(zhuǎn)換部分相連，所述光電轉(zhuǎn)換部分與所述驅(qū)動(dòng)回路相連，所述驅(qū)動(dòng)回路與所述開關(guān)IGBT的柵極連接；

所述脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，通過(guò)所述光電轉(zhuǎn)換部分把電信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)再轉(zhuǎn)成電信號(hào)，輸出到所述驅(qū)動(dòng)回路，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制所述開關(guān)IGBT的關(guān)斷和開通。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述吸收保護(hù)電路包括吸收電容C3、吸收電阻R2和二極管D2，所述吸收電容C3和所述吸收電阻R2串聯(lián)，所述二極管D2的負(fù)極與所述吸收電容C3和所述吸收電阻R2之間的節(jié)點(diǎn)連接，所述二極管D2的正極與所述充電二極管D1和所述二級(jí)電容C2之間的節(jié)點(diǎn)連接，所述開關(guān)IGBT的發(fā)射極與所述吸收電容C3連接。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述等離子體射流裝置包括高壓電極、地電極和絕緣介質(zhì)層，所述高壓電極置于所述絕緣介質(zhì)層內(nèi)，所述絕緣介質(zhì)層外部包裹第一絕緣層和第二絕緣層，且所述第一絕緣層和所述第二絕緣層被所述地電極分隔，所述第一絕緣層和所述第二絕緣層外部包裹有金屬套管，所述金屬套管即為所述等離子體射流裝置的外殼。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述高壓電極和所述地電極分別為中空管狀電極和環(huán)狀電極；

或，所述高壓電極和所述地電極分別為環(huán)狀電極和環(huán)狀電極；

或，所述高壓電極和所述地電極分別為針狀電極和環(huán)狀電極。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述高壓電極、所述地電極、所述金屬套管和所述金屬支架均為導(dǎo)電金屬材料。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述絕緣介質(zhì)層、所述第一絕緣層和所述第二絕緣層采用聚四氟乙烯或石英或玻璃或陶瓷材料。

本發(fā)明還提供了一種微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置的使用方法，該方法包括以下步驟：

步驟101，將待處理樣品放置在所述處理平臺(tái)上，通過(guò)所述距離調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)所述等離子體射流裝置與所述待處理樣品之間的距離；

步驟102，打開所述反應(yīng)氣體源裝置，調(diào)節(jié)所述反應(yīng)氣體源裝置上的流量控制閥，所述反應(yīng)氣體源裝置內(nèi)的反應(yīng)氣體通過(guò)所述進(jìn)氣管進(jìn)入所述微秒脈沖激勵(lì)電源的進(jìn)氣口，反應(yīng)氣體通過(guò)所述出氣管進(jìn)入所述等離子體射流裝置中；

步驟103，打開所述微秒脈沖激勵(lì)電源，通過(guò)脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)電源參數(shù)，所述等離子體射流裝置產(chǎn)生的等離子體射流處理所述待處理樣品。

本發(fā)明的有益效果為：

1、該微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置搭建結(jié)構(gòu)緊湊的微秒脈沖激勵(lì)電源，微秒脈沖激勵(lì)電源與等離子體射流裝置一體化設(shè)計(jì)，具有放電效率高和裝置小型化的優(yōu)勢(shì)，方便攜帶與使用；

2、該微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置輸出可輸出電壓幅值0-20kV連續(xù)可調(diào)、頻率0-1.5kHz連續(xù)可調(diào)、上升沿0.5us、半高寬8us的高壓脈沖；

3、在實(shí)際應(yīng)用中，可以應(yīng)用于表面處理、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的一種微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中微秒脈沖激勵(lì)電源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中等離子體射流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，

1、微秒脈沖激勵(lì)電源；2、等離子體射流裝置；3、調(diào)壓器T；4、整流橋；5、脈沖變壓器PT；6、電阻R1；7、一級(jí)電容C1；8、二級(jí)電容C2；9、升壓電感L；10、充電二極管D1；11、開關(guān)IGBT；12、脈沖發(fā)生器；13、光電轉(zhuǎn)換部分；14、驅(qū)動(dòng)回路；15、吸收電容C3；16、吸收電阻R2；17、二極管D2；18、地電極；19、絕緣介質(zhì)層；20、第一絕緣層；21、第二絕緣層；22、金屬套管；23、金屬支架；24、處理平臺(tái)；25、距離調(diào)節(jié)按鈕；26、連接線；27、高壓線；28、出氣管；29、反應(yīng)氣體裝置；30、流量控制閥；31、進(jìn)氣管；32、進(jìn)氣口；33、高壓電極。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置，包括微秒脈沖激勵(lì)電源1、等離子體射流裝置2和反應(yīng)氣體裝置29，微秒脈沖激勵(lì)電源1通過(guò)連接線26內(nèi)設(shè)置的高壓線27與等離子體射流裝置2的高壓端連接，反應(yīng)氣體裝置29內(nèi)的反應(yīng)氣體通過(guò)進(jìn)氣管31進(jìn)入微秒脈沖激勵(lì)電源1的進(jìn)氣口32，并通過(guò)連接線26內(nèi)設(shè)置的出氣管28進(jìn)入等離子體射流裝置2中。

如圖2所示，微秒脈沖激勵(lì)電源1包括低壓模塊和高壓模塊，低壓模塊包括調(diào)壓器T3、整流橋4、倍壓回路、觸發(fā)控制電路和吸收保護(hù)電路，高壓模塊包括脈沖變壓器PT5，調(diào)壓器T3的原邊與交流電壓連接，調(diào)壓器T3的副邊與整流橋4連接，整流橋4與倍壓回路連接，倍壓回路與觸發(fā)控制電路和吸收保護(hù)電路連接，倍壓回路與脈沖變壓器PT5的原邊連接，脈沖變壓器PT5的副邊與等離子體射流裝置2連接；外部輸入的交流電壓經(jīng)過(guò)調(diào)壓器T3調(diào)壓后作為微秒脈沖激勵(lì)電源1的輸入電壓，該輸入電壓經(jīng)過(guò)整流橋4后轉(zhuǎn)換成直流電壓；倍壓回路對(duì)該直流電壓進(jìn)行升壓充電，得到初始脈沖，并在觸發(fā)控制電路的控制下進(jìn)行放電，通過(guò)脈沖變壓器PT5耦合對(duì)等離子體射流裝置2輸出高壓微秒脈沖；觸發(fā)控制電路控制倍壓回路中開關(guān)IGBT11的開通和關(guān)斷，對(duì)倍壓回路進(jìn)行隔離；吸收保護(hù)電路吸收開關(guān)IGBT11在開通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電流和過(guò)電壓。

具體的，倍壓回路包括電阻R16、一級(jí)電容C17、二級(jí)電容C28、升壓電感L9、充電二極管D110和開關(guān)IGBT11，電阻R16和一級(jí)電容C17串聯(lián)，一級(jí)電容C17、升壓電感L9、充電二極管D110和二級(jí)電容C28串聯(lián)，開關(guān)IGBT11的柵極與觸發(fā)控制電路連接，開關(guān)IGBT11的集電極與充電二極管D110的負(fù)極連接，開關(guān)IGBT11的發(fā)射極與吸收保護(hù)電路連接。整流橋4轉(zhuǎn)換后的直流電壓經(jīng)過(guò)電阻R16對(duì)一級(jí)電容C17充電。一級(jí)電容C17通過(guò)升壓電感L9、充電二極管D110、脈沖變壓器PT5的勵(lì)磁電感(脈沖變壓器PT5非飽和狀態(tài)時(shí)可看成無(wú)窮大時(shí)可忽略)和漏感對(duì)二級(jí)電容C28升壓充電。開關(guān)IGBT11開通時(shí)，二級(jí)電容C28由開關(guān)IGBT11、脈沖變壓器PT5的漏感和脈沖變壓器PT5的原邊構(gòu)成的回路放電，在放電的過(guò)程中大部分能量通過(guò)脈沖變壓器PT5耦合傳輸?shù)降入x子體射流裝置2。其中，一級(jí)電容C17由多個(gè)電解電容并聯(lián)組成以減小電源體積。

具體的，觸發(fā)控制電路包括脈沖發(fā)生器12、光電轉(zhuǎn)換部分13和驅(qū)動(dòng)回路14，脈沖發(fā)生器12與光電轉(zhuǎn)換部分13相連，光電轉(zhuǎn)換部分13與驅(qū)動(dòng)回路14相連，驅(qū)動(dòng)回路14與開關(guān)IGBT11的柵極連接。脈沖發(fā)生器12采用ARM芯片，產(chǎn)生可調(diào)脈寬、頻率、個(gè)數(shù)、延時(shí)的脈沖，產(chǎn)生的脈沖通過(guò)光電轉(zhuǎn)換部分13把電信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)再轉(zhuǎn)成電信號(hào)，輸出到驅(qū)動(dòng)回路14，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制開關(guān)IGBT11的關(guān)斷和開通。觸發(fā)控制電路和倍壓回路隔離開來(lái)，避免了開關(guān)IGBT11開通和關(guān)斷時(shí)，產(chǎn)生的干擾信號(hào)對(duì)于觸發(fā)脈沖的干擾，避免產(chǎn)生誤觸發(fā)。

吸收保護(hù)電路用來(lái)吸收開關(guān)IGBT11在開通和關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)電流和過(guò)電壓，開關(guān)IGBT11承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力很差，開關(guān)關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器PT5漏感和線路的雜散電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，與二級(jí)電容C28的電壓方向一致，這兩個(gè)電壓產(chǎn)生疊加，使得開關(guān)IGBT11承受很高的電壓。而本電路中對(duì)開關(guān)IGBT11采用硬關(guān)斷的方式，在開通和關(guān)斷時(shí)，電壓、電流均不為0，di/dt和du/dt很大，波形產(chǎn)生過(guò)沖，開關(guān)IGBT11會(huì)承受很大的浪涌電流和尖峰電壓，重復(fù)頻率時(shí)，開關(guān)損耗很大，甚至擊穿，因此需要給開關(guān)IGBT11加上緩沖回路，即吸收保護(hù)回路。具體的，吸收保護(hù)電路包括吸收電容C315、吸收電阻R216和二極管D217，吸收電容C315和吸收電阻R216串聯(lián)，二極管D217的負(fù)極與吸收電容C315和吸收電阻R216之間的節(jié)點(diǎn)連接，二極管D217的正極與充電二極管D110和二級(jí)電容C28之間的節(jié)點(diǎn)連接，開關(guān)IGBT11的發(fā)射極與吸收電容C315連接。

其中，脈沖變壓器PT5的變比為1/40，材料選用鐵基非晶合金，其具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高初始磁導(dǎo)率、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br低、矯頑力Hc小、高電導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。脈沖變壓器PT5的原邊盡量減少匝數(shù)以減少變壓器漏感，從而減小輸出脈沖的上升沿，減小脈沖寬度。

微秒脈沖激勵(lì)電源1的主要發(fā)熱器件為開關(guān)IGBT11、吸收電阻R216、升壓電感L9、脈沖變壓器PT5，脈沖重復(fù)頻率較高時(shí)，開關(guān)IGBT11的通斷損耗很大，因此，將可將整流橋4、倍壓回路、觸發(fā)控制電路和吸收保護(hù)電路加裝于鋁合金散熱片上并采用3000r/min的風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。微秒脈沖激勵(lì)電源1也可采用級(jí)聯(lián)式或開關(guān)切斷式脈沖成型方式，但不僅限于上述方式。

本實(shí)施例中的整流橋4、倍壓回路、觸發(fā)控制電路和吸收保護(hù)電路集中布置并集成在一塊PCB板上，大大減小了微秒脈沖激勵(lì)電源1的體積。

等離子體射流裝置2通過(guò)距離調(diào)節(jié)按鈕25固定在金屬支架23上，且等離子體射流裝置2的外殼通過(guò)金屬支架23接地，金屬支架23固定在處理平臺(tái)24上。具體的，如圖3所示，等離子體射流裝置2包括高壓電極33、地電極18和絕緣介質(zhì)層19，高壓電極33置于絕緣介質(zhì)層19內(nèi)，絕緣介質(zhì)層19外部包裹第一絕緣層20和第二絕緣層21，且第一絕緣層20和第二絕緣層21被地電極18分隔，第一絕緣層20和第二絕緣層21外部包裹有金屬套管22，金屬套管22即為等離子體射流裝置2的外殼。

其中，高壓電極33和地電極18分別為中空管狀電極和環(huán)狀電極；或，高壓電極33和地電極18分別為環(huán)狀電極和環(huán)狀電極；或，高壓電極33和地電極18分別為針狀電極和環(huán)狀電極。高壓電極33、地電極18、金屬套管22和金屬支架23均為導(dǎo)電金屬材料，如不銹鋼、金屬鋼、鎢等，但不僅限于以上材料。絕緣介質(zhì)層19、第一絕緣層20和第二絕緣層21采用聚四氟乙烯或石英或玻璃或陶瓷材料，但不僅限于以上材料。

反應(yīng)氣體裝置29內(nèi)的反應(yīng)氣體可為氬氣或者氦氣等稀有氣體，也可使用空氣或其它稀有氣體以及混合氣體作為工作氣體，但不僅限于上述氣體。

實(shí)施例2，本發(fā)明還提供了一種微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置的使用方法，該方法包括以下步驟：

步驟101，將待處理樣品放置在處理平臺(tái)24上，通過(guò)距離調(diào)節(jié)按鈕25調(diào)節(jié)等離子體射流裝置2與待處理樣品之間的距離；

步驟102，打開反應(yīng)氣體源裝置29，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體源裝置29上的流量控制閥30，反應(yīng)氣體源裝置29內(nèi)的反應(yīng)氣體通過(guò)進(jìn)氣管31進(jìn)入微秒脈沖激勵(lì)電源1的進(jìn)氣口32，反應(yīng)氣體通過(guò)出氣管28進(jìn)入等離子體射流裝置2中；

步驟103，打開微秒脈沖激勵(lì)電源1，通過(guò)脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)電源參數(shù)，等離子體射流裝置2產(chǎn)生的等離子體射流處理待處理樣品。

本發(fā)明的微秒脈沖等離子體射流一體機(jī)裝置可以應(yīng)用與表面改性及薄膜沉積，也可用于生物醫(yī)學(xué)、殺菌消毒，但不僅限于上應(yīng)用范圍。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。