本發(fā)明涉及低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種產(chǎn)生波浪形等離子體的裝置及方法。

背景技術(shù)：

大氣壓氣體放電產(chǎn)生的非平衡態(tài)等離子體具有廣泛的應(yīng)用前景，可用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域，如材料生長(zhǎng)、表面改性、殺菌消毒、傷口愈合、加工、環(huán)境污染物的處理、飛行器減阻以及航空器隱身等。因此，大氣壓等離子體技術(shù)是一個(gè)關(guān)系民生醫(yī)療、國(guó)家能源、環(huán)境、國(guó)防安全的重要技術(shù)。大氣壓等離子體應(yīng)用雖如此廣泛，但對(duì)其動(dòng)力學(xué)的研究一直都不完善，一些具有特殊形態(tài)的等離子體羽可以幫助人們完善對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)的研究，并且在對(duì)一些領(lǐng)域滿足對(duì)特殊應(yīng)用的要求。

現(xiàn)有技術(shù)中，已有多種利用噴槍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特殊形態(tài)的等離子體的方法，比如利用直流與交流共同激勵(lì)的方法產(chǎn)生的杯狀等離子體羽(見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)scirep,2016,6,35653)；利用正弦電壓激勵(lì)噴槍產(chǎn)生具有空心結(jié)構(gòu)的等離子體羽(見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)ieeetransactionsonplasmascience,2005,33,310)；但是目前還沒(méi)有關(guān)于利用噴槍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生波浪形等離子體羽的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一就是提供一種產(chǎn)生波浪形等離子體的裝置，以完善對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)的研究，并在一些領(lǐng)域滿足對(duì)等離子體形狀、面積或體積的特殊需求。

本發(fā)明的目的之二就是提供一種產(chǎn)生波浪形等離子體的方法。

本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種產(chǎn)生波浪形等離子體的裝置，包括放電機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)；

所述放電機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于開(kāi)放空間內(nèi)的絕緣管和棒電極，所述棒電極置于絕緣管的中軸線上，所述絕緣管一端為進(jìn)氣口，另一端為出氣口，所述進(jìn)氣口與所述供氣機(jī)構(gòu)相連；

所述供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路和提供放電氣體的儲(chǔ)氣罐，所述儲(chǔ)氣罐通過(guò)所述供氣管路與所述絕緣管的進(jìn)氣口相連，所述供氣管路上設(shè)有氣閥、氣壓表和流量計(jì)；

所述供電機(jī)構(gòu)包括高壓交流電源，所述高壓交流電源的高壓輸出端與所述棒電極電連接，所述高壓交流電源的接地端接地線。

所述絕緣管的長(zhǎng)度為2~20cm，內(nèi)徑為1~30mm，管壁厚度為0.1~3mm。絕緣管由玻璃、聚四氟乙烯或硅膠等絕緣材料制成。

所述棒電極的長(zhǎng)度為2~20cm，直徑為0.1~5mm。棒電極由鎢、銅、鐵或鎳等任何具有良好導(dǎo)電率的金屬絲構(gòu)成。

所述放電氣體為惰性氣體或惰性氣體與空氣的混合氣體。所述惰性氣體與空氣的混合氣體中惰性氣體體積分?jǐn)?shù)大于70%。

所述絕緣管的出氣口為全敞口，所述棒電極的末端距離出氣口所在平面的距離為0~10mm，可以位于所述平面的左側(cè)、平面上或平面的右側(cè)。

本發(fā)明的目的之二是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了利用上述放電裝置產(chǎn)生波浪形等離子體的方法，其步驟如下：

a、設(shè)置一絕緣管和棒電極，將棒電極置于絕緣管的中軸線位置，所述絕緣管的一端為進(jìn)氣口，另一端為出氣口；

b、設(shè)置供氣管路，將供氣管路的一端與所述絕緣管的進(jìn)氣口相連，供氣管路的另一端連接盛有放電氣體的儲(chǔ)氣罐，在供氣管路上設(shè)置氣閥、氣壓表和流量計(jì)；

c、設(shè)置一高壓交流電源，將高壓交流電源的高壓輸出端與所述棒電極電連接，將高壓交流電源的接地端接地線；

d、打開(kāi)供氣管路上的氣閥，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的放電氣體經(jīng)供氣管路通入絕緣管內(nèi)，流經(jīng)絕緣管后由出氣口流出，進(jìn)入開(kāi)放的放電空間；

e、打開(kāi)高壓交流電源的開(kāi)關(guān)，逐漸增加高壓交流電源的輸出電壓，使得棒電極在放電空間形成白色圓錐形等離子體羽；

f、增大交流電壓的偏置電壓，使白色圓錐形等離子體羽變?yōu)榫哂锌招慕Y(jié)構(gòu)的流線型等離子體羽；

g、減小交流電壓的頻率，可以觀察到流線型等離子體羽逐漸變?yōu)椴ɡ诵蔚入x子體羽。

步驟a中，所述絕緣管的長(zhǎng)度為2~20cm，內(nèi)徑為1~30mm；所述棒電極的長(zhǎng)度為2~20cm，直徑為0.1~5mm。

步驟d中，通過(guò)供氣管路上的流量計(jì)，控制放電氣體在絕緣管內(nèi)以層流狀態(tài)流動(dòng)。

步驟g中，高壓交流電源的頻率范圍為50hz~3khz，高壓交流電源輸出的電壓波形為正弦波、方波或三角波，所述偏置電壓的范圍在為0~25kv。

所述放電氣體為惰性氣體或惰性氣體與空氣的混合氣體，放電氣體的流速控制為1~10l/min。

所述絕緣管的出氣口為全敞口，所述棒電極的末端距離出氣口所在平面的距離為0~10mm。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，裝置設(shè)置于開(kāi)放的大氣環(huán)境中，不依賴于昂貴的真空室。本發(fā)明利用棒電極和絕緣管形成噴槍結(jié)構(gòu)，并能在噴槍出氣口端的開(kāi)放的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大長(zhǎng)度的波浪形等離子體羽，棒電極位于放電氣流中，放電過(guò)程中電極溫度不會(huì)過(guò)高，因此放電不會(huì)因熱不穩(wěn)定性過(guò)渡到火花放電，即放電可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明產(chǎn)生的波浪形等離子體對(duì)于研究等離子體動(dòng)力學(xué)具有深遠(yuǎn)的意義，且對(duì)不規(guī)則形狀工件的表面處理以及小孔徑管狀工件內(nèi)壁的表面處理等需求有較高的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1裝置在正弦電壓為4.5kv，偏置電壓為9kv的放電照片。

圖中：1、棒電極，2、絕緣管，3、供氣管路，4、流量計(jì)，5、氣壓表，6、氣閥，7、儲(chǔ)氣罐，8、高壓交流電源。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，一種產(chǎn)生波浪形等離子體的裝置。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的裝置包括放電機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)；

放電機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于開(kāi)放空間內(nèi)的絕緣管2和棒電極1，絕緣管2為長(zhǎng)10cm、內(nèi)徑5mm、外徑7mm的石英玻璃管。絕緣管2的左端設(shè)有進(jìn)氣口，進(jìn)氣口的直徑小于絕緣管2的內(nèi)徑，且位于絕緣管2中軸線的上方，絕緣管2的右端為出氣口，出氣口為全敞口。棒電極1為長(zhǎng)12cm、直徑1mm的圓柱形鎢絲。棒電極1由左向右穿過(guò)絕緣管2左端的管壁，并置于絕緣管2的中軸線位置，棒電極1的右端位于絕緣管2出氣口所在平面上。

供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路3和盛有放電氣體的儲(chǔ)氣罐7，放電氣體為具有較低的擊穿電場(chǎng)值的氬氣。儲(chǔ)氣罐7通過(guò)供氣管路3與絕緣管2的進(jìn)氣口相連，供氣管路3上設(shè)有氣閥6、氣壓表5和流量計(jì)4，打開(kāi)氣閥6，可以使放電氣體經(jīng)供氣管路3流入絕緣管2內(nèi)，并由絕緣管2的出氣口流出，進(jìn)入開(kāi)放的放電空間。通過(guò)氣壓表5可以控制供氣管路3內(nèi)氣體壓力，通過(guò)流量計(jì)4可以控制供氣管路3內(nèi)氣體流量或流速。

供電機(jī)構(gòu)包括高壓交流電源8和若干高壓導(dǎo)線，高壓交流電源8的高壓輸出端通過(guò)高壓導(dǎo)線與棒電極1電連接，高壓交流電源8的接地端接地線。高壓交流電源8的作用是使在電壓正半周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)從棒電極1向下游運(yùn)動(dòng)的等離子體子彈。為了能夠產(chǎn)生波紋狀等離子體羽，高壓交流電源8的頻率范圍為50hz~3khz，高壓交流電源8輸出的電壓波形為正弦波、方波或三角波。

實(shí)施例2，一種產(chǎn)生波浪形等離子體羽的方法。

本實(shí)施例利用實(shí)施例1所述的裝置來(lái)產(chǎn)生波浪形等離子體羽。具體操作步驟如下：

首先按照?qǐng)D1所示設(shè)置并連接各部件，打開(kāi)供氣管路上的氣閥6，由儲(chǔ)氣罐7通過(guò)供氣管路3向絕緣管2內(nèi)通入放電氣體，放電氣體經(jīng)絕緣管2后由出氣口流出，進(jìn)入開(kāi)放的放電空間。調(diào)節(jié)供氣管路3上的流量計(jì)4，使得氬氣流速為3l/min，此時(shí)氬氣在絕緣管2內(nèi)以層流狀態(tài)流動(dòng)。

打開(kāi)高壓交流電源8的開(kāi)關(guān)，逐漸增加高壓交流電源8的輸出電壓，使得棒電極1在放電空間形成白色圓錐形等離子體羽。

增大交流電壓的偏置電壓，使白色圓錐形等離子體羽變?yōu)榫哂锌招慕Y(jié)構(gòu)的流線型等離子體羽。

減小交流電壓的頻率，使流線型等離子體羽逐漸變?yōu)椴ɡ诵蔚入x子體羽，如圖2所示，為正弦電壓為4.5kv，偏置電壓為9kv的放電照片。

本發(fā)明氣體流量的大小根據(jù)絕緣管2橫截面和放電氣體的不同而有所變化，可以在一定范圍內(nèi)選擇。放電氣體由絕緣管2進(jìn)入開(kāi)放的放電空間，通過(guò)高壓交流電源8給棒電極1施加一高壓電場(chǎng)，由于棒電極1對(duì)空間電荷和電場(chǎng)產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)高壓交流電源8的輸出電壓和頻率便可在棒電極1的下游區(qū)域形成波浪形的刷狀等離子體羽。

本發(fā)明中所形成的等離子體羽源于不同時(shí)刻微放電的疊加，因此，放電等離子體具有較高的電子溫度和較低的氣體溫度，且工作氣體的流動(dòng)會(huì)帶走放電產(chǎn)生的熱量，放電電極不需要額外的冷卻裝置。此外，放電產(chǎn)生的等離子體羽是脈沖的，每個(gè)周期的脈沖數(shù)目由外加電壓的峰值、頻率、放電氣體種類決定。