本發(fā)明屬于大氣壓下輝光放電產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種產(chǎn)生均勻大氣壓下輝光放電的裝置及方法。

背景技術(shù)：

輝光放電等離子體廣泛用于表面改性、臭氧合成、廢氣處理和電光源等領(lǐng)域。當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用的輝光放電多數(shù)在低氣壓條件下產(chǎn)生，需使用昂貴的真空設(shè)備，應(yīng)用成本較高。

相比而言，大氣壓下輝光放電具有放電均勻、功率密度適中等特點(diǎn)，這種放電形式產(chǎn)生的低溫非平衡等離子體具有非常優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。國際上對(duì)大氣壓下輝光放電開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)前可產(chǎn)生大氣壓下輝光放電的技術(shù)主要有介質(zhì)阻擋放電和大電阻鎮(zhèn)流的直流輝光放電等。介質(zhì)阻擋放電使用交流電源，放電電極之間必須放置介質(zhì)板，其放電多為細(xì)絲狀，對(duì)材料本身損害較大；大電阻鎮(zhèn)流的直流輝光放電使用高壓直流電源，放電回路中需采用大電阻鎮(zhèn)流，以防止輝光放電轉(zhuǎn)化為電弧放電，這一過程中鎮(zhèn)流電阻將會(huì)消耗大量的能量，電路效率較低。將大氣壓下輝光放電這種性能優(yōu)越的低溫等離子體能否廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵在于能否得到大體積均勻的大氣壓下輝光放電。而這兩種大氣壓下輝光放電的產(chǎn)生方式目前只是實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)毫米范圍放電間隙中的均勻輝光放電，限制了大氣壓下輝光放電在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種產(chǎn)生均勻大氣壓下輝光放電的裝置及方法，本發(fā)明利用外施橫向磁場(chǎng)對(duì)高壓諧振電源產(chǎn)生的穩(wěn)定絲狀大氣壓下輝光放電，在同軸電極裝置的放電間隙中，產(chǎn)生了直徑30mm圓周范圍內(nèi)的大體積均勻輝光放電。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種產(chǎn)生均勻大氣壓下輝光放電的裝置，包括調(diào)壓整流回路、高頻逆變回路、諧振回路、電極裝置和外施磁場(chǎng)，所述調(diào)壓整流回路與高頻逆變回路連接，高頻逆變回路與諧振回路連接，所述諧振回路與電極裝置連接，所述外施磁場(chǎng)垂直設(shè)置于電極裝置的下方，所述調(diào)壓整流回路、高頻逆變回路、諧振回路構(gòu)成高壓諧振電源。

所述調(diào)壓整流回路包括調(diào)壓器、整流橋和穩(wěn)壓電容，調(diào)壓器的輸出端連接整流橋的輸入端，整流橋的輸出端與穩(wěn)壓電容連接；

所述高頻逆變回路包括串聯(lián)的第一電容和第二電容、串聯(lián)的第一mosfet和第二mosfet；串聯(lián)的第一電容和第二電容與串聯(lián)的第一mosfet和第二mosfet并聯(lián)連接；

所述諧振回路包括第一電感、第二電感、第三電容和脈沖變壓器原邊電感，所述第一電感與第一電容、第二電容的等效電容串聯(lián)連接，所述第二電感和第三電容串聯(lián)連接后與脈沖變壓器原邊電感并聯(lián)連接。

所述調(diào)壓整流回路用于產(chǎn)生幅值可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓；高頻逆變回路將直流電壓逆變?yōu)轭l率從幾千到上百千赫茲可調(diào)的方波；諧振回路將方波電壓變?yōu)楦哳l高壓正弦交流電壓，并且維持負(fù)載電流穩(wěn)定。

所述電極裝置為尖-環(huán)同軸電極，包括連接高壓源的陽極尖電極和接地的陰極環(huán)電極，其結(jié)構(gòu)為同軸形式；陽極尖電極與諧振回路連接。

所述陽極尖電極和陰極環(huán)電極的同軸空氣間隙構(gòu)成放電間隙。

所述陽極尖電極和陰極環(huán)電極的尺寸參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述尺寸參數(shù)包括：陽極尖電極的長(zhǎng)短、尖端錐度尺寸，陰極環(huán)電極的厚度及內(nèi)外徑大小，陽極尖電極尖端到陰極環(huán)電極上平面的垂直距離。

所述陰極環(huán)電極可選用內(nèi)徑為10～30mm的環(huán)電極。

所述外施磁場(chǎng)由永磁體提供，永磁體垂直設(shè)置于陰極環(huán)電極的下方。

所述永磁體和陰極環(huán)電極之間放置一塊絕緣介質(zhì)板，用于減小永磁體本身對(duì)放電間隙電場(chǎng)分布的影響，通過改變所述絕緣介質(zhì)板的厚度可以在一定范圍內(nèi)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

一種產(chǎn)生均勻大氣壓下輝光放電的方法，包括如下步驟：

s100.通過計(jì)算確定諧振回路中第一電感、第二電感、第三電容的參數(shù)，從而確定高壓諧振電源的輸出電壓頻率，在較低的輸入電壓下，當(dāng)其輸出電流突增且為最大時(shí)高壓諧振電源處于諧振狀態(tài)；

s200.在諧振狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器增大電源的輸入電壓幅值直至尖-環(huán)同軸電極間發(fā)生放電；

s300.尖-環(huán)同軸電極放電產(chǎn)生的高能電子和正離子在電場(chǎng)力和磁場(chǎng)洛倫茲力的作用下在放電間隙中高速偏轉(zhuǎn)，使絲狀大氣壓下輝光放電在整個(gè)放電間隙擴(kuò)散開，得到陰極環(huán)電極整個(gè)同軸圓周范圍內(nèi)的大體積均勻大氣壓下輝光放電。

所述方法通過調(diào)節(jié)電源的輸入電壓、電源的諧振頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度或改變尖-環(huán)同軸電極的尺寸可得到不同密度分布及不同體積大小的均勻大氣壓下輝光放電。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用如上技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果是：

本發(fā)明無須使用真空設(shè)備便可獲得大體積均勻輝光放電，可大大降低應(yīng)用成本。利用高壓諧振電源的恒流特性維持穩(wěn)定的絲狀彌散大氣壓下輝光放電，利用橫向外施磁場(chǎng)對(duì)等離子體中導(dǎo)電微粒的洛倫茲力作用，使得穩(wěn)定的絲狀彌散大氣壓下輝光放電在長(zhǎng)直徑同軸環(huán)電極放電間隙中均勻擴(kuò)散，產(chǎn)生大體積均勻的大氣壓下輝光放電，這種大體積均勻的輝光放電具有很廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。本發(fā)明無需借助介質(zhì)阻擋及回路鎮(zhèn)流大電阻等耗能元件，故相較于大電阻鎮(zhèn)流方式的直流輝光產(chǎn)生方法其能量效率要高得多，為大氣壓下輝光放電在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的尖-環(huán)同軸電極、永磁體與介質(zhì)板之間的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明在曝光時(shí)間1/20s下拍攝的放電圖像實(shí)施效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

如圖1所示，一種產(chǎn)生均勻大氣壓下輝光放電的裝置，包括調(diào)壓整流回路1、高頻逆變回路2、諧振回路3、電極裝置4和外施磁場(chǎng)，調(diào)壓整流回路1與高頻逆變回路2連接，高頻逆變回路2與諧振回路3連接，諧振回路3與電極裝置4連接，外施磁場(chǎng)垂直設(shè)置于電極裝置4的下方。調(diào)壓整流回路1、高頻逆變回路2、諧振回路3構(gòu)成高壓諧振電源。

調(diào)壓整流回路1包括調(diào)壓器101、整流橋102和穩(wěn)壓電容103，調(diào)壓器101的輸出端連接整流橋102的輸入端，整流橋102的輸出端與穩(wěn)壓電容103連接。高頻逆變回路2包括串聯(lián)的第一電容201和第二電容202、串聯(lián)的第一mosfet203和第二mosfet204；串聯(lián)的第一電容201和第二電容202與串聯(lián)的第一mosfet203和第二mosfet204并聯(lián)連接。諧振回路3包括第一電感301、第二電感302、第三電容303和脈沖變壓器304原邊電感。第一電感301與第一電容201、第二電容202的等效電容串聯(lián)連接；第二電感302和第三電容303串聯(lián)連接后與脈沖變壓器304原邊電感并聯(lián)連接。

調(diào)壓整流回路1用于產(chǎn)生幅值可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓，高頻逆變回路2將直流電壓逆變?yōu)轭l率從幾千到上百千赫茲可調(diào)的方波，諧振回路3將方波電壓變?yōu)楦哳l高壓正弦交流電壓，并且維持負(fù)載電流穩(wěn)定。它的原理是利用諧振回路3中的電感電容的匹配達(dá)到串聯(lián)諧振，諧振得到的高頻交變電壓通過從脈沖變壓器的原邊升高到數(shù)十千伏的高頻高壓正弦交流電壓，高壓諧振電源最終的輸出電流受諧振點(diǎn)的制約并維持恒定。

這種諧振恒流源通過調(diào)壓器101的調(diào)節(jié)可輸出0～30kv范圍的高頻交變電壓，通過第一電感301、第二電感302、第三電容303的參數(shù)配合可以使頻率在10khz～100khz可調(diào)。由于是利用諧振恒流原理，所以放電電流可以被有效限制在毫安級(jí)，從而阻止電子崩的過度發(fā)展，最終驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定的絲狀大氣壓下輝光放電。

如圖2所示，電極裝置4為尖-環(huán)同軸電極，包括連接高壓源的陽極尖電極401和接地的陰極環(huán)電極402，其結(jié)構(gòu)為同軸形式，該結(jié)構(gòu)在外施磁場(chǎng)作用下可實(shí)現(xiàn)陰極環(huán)電極整個(gè)圓周范圍內(nèi)大體積均勻輝光放電。

進(jìn)一步的，陰極環(huán)電極402可選用內(nèi)徑為10～30mm的環(huán)電極，可實(shí)現(xiàn)直徑10～30mm圓周范圍內(nèi)大體積均勻大氣壓下輝光放電的產(chǎn)生，較目前其它只能在幾個(gè)毫米范圍內(nèi)得到均勻大氣壓下輝光放電方式有了很大的突破。

進(jìn)一步的，陽極尖電極401與諧振回路3連接，諧振回路將高壓諧振電源輸出的高頻高壓正弦交流電壓經(jīng)過二極管305整流后連接陽極尖電極401。

進(jìn)一步的，陽極尖電極的長(zhǎng)短、尖端錐度尺寸，陰極環(huán)電極的厚度及內(nèi)外徑大小，陽極尖電極尖端到陰極環(huán)電極上平面的垂直距離，這些參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步的，外施磁場(chǎng)由永磁體404提供，永磁體404垂直設(shè)置于陰極環(huán)電極402的下方，永磁體404和陰極環(huán)電極402之間放置一塊絕緣介質(zhì)板403，用于減小永磁體本身對(duì)放電間隙電場(chǎng)分布的影響。陽極尖電極401和陰極環(huán)電極402的同軸空氣間隙構(gòu)成放電間隙405，放電間隙405處于由永磁體404提供的均勻磁場(chǎng)中。通過改變絕緣介質(zhì)板403的厚度可以在一定范圍內(nèi)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

本發(fā)明是利用高頻諧振恒流源在大氣壓條件下產(chǎn)生穩(wěn)定的絲狀彌散輝光放電，因?yàn)槭┘恿艘粋€(gè)利用永磁材料產(chǎn)生的垂直于放電間隙的靜磁場(chǎng)，放電間隙中的高能電子和正離子在電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用下發(fā)生高速偏轉(zhuǎn)，致使輝光放電在整個(gè)放電間隙擴(kuò)散開，從而得到整個(gè)同軸圓周范圍內(nèi)的大體積均勻輝光放電，步驟如下：

s100.通過計(jì)算確定諧振回路3中第一電感301、第二電感302、第三電容303的參數(shù)，從而確定高壓諧振電源的輸出電壓頻率，在較低的輸入電壓下，當(dāng)其輸出電流突增且為最大時(shí)高壓諧振電源處于諧振狀態(tài)；

s200.在諧振狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器101增大電源的輸入電壓幅值直至尖-環(huán)同軸電極間發(fā)生放電；

s300.尖-環(huán)同軸電極放電產(chǎn)生的高能電子和正離子在電場(chǎng)力和磁場(chǎng)洛倫茲力的作用下在放電間隙405中高速偏轉(zhuǎn)，使絲狀大氣壓下輝光放電在整個(gè)放電間隙擴(kuò)散開，得到陰極環(huán)電極整個(gè)同軸圓周范圍內(nèi)的大體積均勻大氣壓下輝光放電。

進(jìn)一步的，通過調(diào)節(jié)電源的輸入電壓、電源的諧振頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度或改變尖-環(huán)同軸電極的尺寸可得到不同密度分布及不同體積大小的均勻大氣壓下輝光放電。圖3為一張曝光時(shí)間1/20s下拍攝的放電圖像，從圖中可以清楚看到放電間隙中的均勻大氣壓下輝光放電。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。