專利名稱：基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣壓冷等離子體發(fā)生器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在低氣壓條件下可以產(chǎn)生大面積的非平衡冷等離子體，但真空腔的存在，一方面使得設(shè)備的制造和維護費用大大增加，另一方面也限制了被處理工件的幾何尺寸，從而極大地限制了其應(yīng)用范圍。當前在大氣壓條件下能夠產(chǎn)生的等離子體有兩種，一種是熱等離子體，其特征是氣體溫度往往很高，大約10000K量級，主要用于等離子體噴涂、切割、焊接、廢物處理、材料表面加工等領(lǐng)域。由于熱等離子體溫度很高，因此，對于畏熱材料，不能采用其進行處理；另一種是冷等離子體，其特征是氣體溫度很低(接近室溫)，但電子溫度很高，因此具有很高的化學(xué)活性，屬于非平衡冷等離子體。但目前在大氣壓條件下產(chǎn)生冷等離子體的方法主要是電暈放電、介質(zhì)阻擋放電等。采用上述方法產(chǎn)生的冷等離子體往往體積比較小，而且空間分布很不均勻。最近提出的大氣壓射頻輝光放電冷等離子體技術(shù)，可以在大氣壓條件下產(chǎn)生比較大面積的均勻放電的冷等離子體。大氣壓射頻輝光放電冷等離子體技術(shù)由于擺脫了昂貴、復(fù)雜的真空系統(tǒng)的限制，在微電子工業(yè)、核工業(yè)(核廢料處理)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、甚至在保障國家安全等諸多領(lǐng)域都將有著非常廣闊的應(yīng)用前景，如等離子體刻蝕、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、材料表面改性、清除生化有機物、放射性廢料處理或者清洗放射性沾染的表面、熱電廠和某些化工廠的脫硫、脫硝、汽車尾氣處理、醫(yī)療器械的快速消毒滅菌、制藥和食品行業(yè)的消毒、食品保鮮、皮膚病治療等。
但是現(xiàn)有的大氣壓冷等離子體發(fā)生器，無論是平板型冷等離子體發(fā)生器還是同軸型冷等離子體發(fā)生器，冷等離子體工作氣體為純氦氣或者純氬氣等工業(yè)氣體，或者電極表面附有電介質(zhì)層，從而大大提高了冷等離子體技術(shù)的使用成本，降低了冷等離子體發(fā)生器的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器。
本發(fā)明所述發(fā)生器的特征之一在于，所述發(fā)生器是基于平板型結(jié)構(gòu)的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，含有電極由上、下兩塊平板構(gòu)成，該電極間有支撐和密封用的絕緣體；雙氣體源包括空氣在內(nèi)的在大氣壓下不能穩(wěn)定放電的主工作氣體的氣源以及包括氦氣或者氬氣在內(nèi)的能在大氣壓下穩(wěn)定放電的誘導(dǎo)氣體的氣源，該主工作氣體源及誘導(dǎo)氣體源的出氣口通過傳輸管道與冷等離子體發(fā)生器電極間的放電室相連。
本發(fā)明所述發(fā)生器的特征之二在于，所述發(fā)生器是基于圓型或橢圓型結(jié)構(gòu)的同軸型大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，含有內(nèi)電極，接射頻電源；絕緣支架，外套于所述內(nèi)電極；外電極，外套于所述絕緣支架并接地，該外電極側(cè)向開有進氣口，另一側(cè)有一個與所述外電極相連的噴嘴；雙氣體源，包括空氣在內(nèi)的在大氣壓下不能穩(wěn)定放電的主工作氣體的氣源以及包括氦氣或者氬氣在內(nèi)的能在大氣壓下穩(wěn)定放電的誘導(dǎo)氣體的氣源，該主工作氣體源及誘導(dǎo)氣體源的出氣口通過傳輸管道與冷等離子體發(fā)生器電極間的放電室相連。
本申請將雙氣體源供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，能在大氣壓下穩(wěn)定工作，其優(yōu)點是(1)采用射頻電源在大氣壓下形成均勻、穩(wěn)定的低溫非平衡冷等離子體射流；(2)采用空氣或其它大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體為工作氣體。
(3)使用裸露電極。
(4)首先使用純氦氣或者氬氣等大氣壓下能穩(wěn)定放電的氣體放電，然后誘導(dǎo)空氣或其它大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體放電。
(5)采用的結(jié)構(gòu)便于實際應(yīng)用。
本申請將雙氣體源供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，可以使冷等離子體發(fā)生器的工作氣體最終為空氣或其它大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體。同不采用該種雙氣體源供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的冷等離子體發(fā)生器相比，由于采用本申請所提出的雙氣體源供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，可以使用空氣或其它大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體為工作氣體，大大降低了冷等離子體發(fā)生器的工作成本，因此，該項技術(shù)的提出將大大地推動低溫非平衡冷等離子體技術(shù)在等離子體刻蝕、薄膜沉積、生化清洗、消毒滅菌、空氣凈化、廢物處理、疾病治療、材料表面改性等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，顯示其高效、快速的處理能力。


圖1雙氣體源供氣系統(tǒng)示意圖。
圖2圓型或橢圓型結(jié)構(gòu)的同軸型大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器剖視圖。
圖3流量控制器結(jié)構(gòu)圖。
圖4平板型大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器示意圖。
圖5位于冷等離子體發(fā)生器進氣口處的圓型或橢圓型縮放通道示意圖；51縱剖視圖；52位于喉部的橫剖視圖；53內(nèi)或外電極正視圖。
圖6位于冷等離子體發(fā)生器進氣口處的方型縮放通道示意圖；61縱剖視圖；62橫剖視圖；63內(nèi)或外電極正視圖。
圖7進氣口處有平板型縮放通道結(jié)構(gòu)的冷等離子體發(fā)生器的剖視圖。
圖8出氣口處有平板型縮放通道結(jié)構(gòu)的冷等離子體發(fā)生器的剖視圖。
圖9處于放電處的圓型或橢圓型通道結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖10、12出氣口處帶有圓型或橢圓型縮放通道結(jié)構(gòu)的冷等離子體發(fā)生器的剖視圖之一、二。
圖11位于出氣口處的圓型或橢圓型縮放通道結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖13采用平板型縮放通道結(jié)構(gòu)的由多個平板型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖之一采用自然冷卻。
圖14采用平板型縮放通道結(jié)構(gòu)的由多個平板型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖之二采用氣體冷卻方式。
圖15軸向進氣、外形為方形的多個同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖。
圖16采用圓柱型縮放通道結(jié)構(gòu)的由多個圓柱型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖采用自然冷卻。
圖17采用方型縮放通道結(jié)構(gòu)的由多個方型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖工作氣體即為冷卻氣體。
具體實施例方式本申請在冷等離子體發(fā)生器中采用了如圖1所示的雙氣體源供氣系統(tǒng)。通過使大氣壓下可以穩(wěn)定放電的氣體(如氦氣，氬氣等)首先放電，然后增加大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體(如空氣，氮氣等)流量，誘導(dǎo)其放電，并同時逐漸關(guān)閉誘導(dǎo)氣體(大氣壓下可以穩(wěn)定放電的氣體)，最終實現(xiàn)空氣、氮氣等大氣壓下不能穩(wěn)定放電氣體的放電，從而拓展了大氣壓放電冷等離子體工作氣體的種類，大大降低了該項技術(shù)的使用成本。
圖1為雙氣體源供氣系統(tǒng)示意圖。其中，101為誘導(dǎo)氣體源(大氣壓下可穩(wěn)定放電的氣體源，如氦氣瓶，氬氣瓶等)，102為大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體源(如空氣壓縮機，壓縮空氣氣瓶，氮氣瓶等)，103為流量控制器，能夠調(diào)整101與102的氣體流量，通過冷等離子體發(fā)生器的光反饋適時增加102的流量，關(guān)閉101的流量。104為氣瓶閥門，105為氣體傳輸管道，106為流量計，107為A/D轉(zhuǎn)換器，108為絕緣材料，109為內(nèi)電極，110為放電區(qū)域，111為噴嘴，112為外電極，113為光纖，114為流量傳感器。
圖2為圓型或橢圓型冷等離子體發(fā)生器示意圖。201為絕緣材料，射頻內(nèi)電極202穿過201，與外電極205組合。內(nèi)外電極間隙204為放電區(qū)。噴嘴203與外電極205相連。氣體由圖1所示系統(tǒng)提供，由進氣口進入內(nèi)外電極間隙204進行放電，冷等離子體通過噴嘴后從發(fā)生器出口噴出，形成冷等離子體射流。
圖3為流量控制器結(jié)構(gòu)圖。309為誘導(dǎo)氣體源(大氣壓下可穩(wěn)定放電的氣體源，如氦氣瓶，氬氣瓶等)，308為大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體源(如空氣壓縮機，壓縮空氣氣瓶，氮氣瓶等)，312為流量控制器，311為氣體傳輸管道，301為流量計，302為電機，303是可編程控制器CPLD，304為冷等離子體發(fā)生器，305為光電倍增管，306為A/D轉(zhuǎn)換器，307為光纖，310為流量傳感器，313為閥門。冷等離子體發(fā)生器304產(chǎn)生誘導(dǎo)氣體的冷等離子體后，由光纖通過光電倍增管、A/D轉(zhuǎn)換器反饋信號給可編程控制器303，可編程控制器驅(qū)動電機，逐漸開啟主工作氣體源308，同時逐漸關(guān)閉誘導(dǎo)氣體源309，直至完全關(guān)閉誘導(dǎo)氣體源309。凡是能實現(xiàn)此功能的工作模塊，均在本申請保護范圍之內(nèi)。
圖4為平板型冷等離子體發(fā)生器示意圖。其中401為射頻電極，402為地電極，403為放電區(qū)域。氣體由圖1所示系統(tǒng)提供，由進氣口進入上下電極間隙403進行放電，形成冷等離子體射流。
圖5為帶有圓型或橢圓型縮放通道結(jié)構(gòu)的平板型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，其中501為外電極，502為內(nèi)電極，503為圓型或橢圓型縮放通道。
圖6為帶有方型縮放通道結(jié)構(gòu)的平板型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，其中601為外電極，602為內(nèi)電極，603為方型縮放通道。
圖7為進氣口處帶有平板型縮放通道結(jié)構(gòu)的平板型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，其中701為縮放通道，702、704為電極，703為放電區(qū)域。
圖8為出氣口處帶有平板型縮放通道結(jié)構(gòu)的平板型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，其中801為縮放通道，802、804為電極，803為放電區(qū)域。
圖9為帶有圓型或橢圓型縮放通道結(jié)構(gòu)的同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，其中901為內(nèi)電極，903為縮放通道，902為冷等離子體。相應(yīng)地，采用該縮放通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的同軸型冷等離子體發(fā)生器側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖如圖10所示，其中1001為內(nèi)電極，1002為外電極，1003為圓柱型縮放通道，1004為放電區(qū)，1005為絕緣體。
圖12為出口處帶有圓型或橢圓型縮放通道結(jié)構(gòu)的同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器，其中1201為外電極，1202為內(nèi)電極，1203為圓柱型縮放通道，1204為放電區(qū)。相應(yīng)地，采用該縮放通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的同軸型冷等離子體發(fā)生器側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖如圖11所示，其中1101為外電極，1102為內(nèi)電極，1103為圓柱型縮放通道，1104為放電區(qū)。
圖13為帶有縮放型通道結(jié)構(gòu)的由多個平板型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖(采用自然冷卻方式)。其中1301表示陣列中的一個發(fā)生器。
圖14為帶有縮放型通道結(jié)構(gòu)的由多個平板型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖(采用氣體冷卻方式)。其中1401表示陣列中的一個發(fā)生器。
圖15為采用軸向進氣方式的、外形為方形的、由多個同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖，其中標號1501、1502分別表示正面和俯視示意圖，1503表示采用軸向進氣方式的、外形為方形的單個同軸型冷等離子體發(fā)生器。
圖16為采用軸向進氣方式的、外形為圓形的、由多個同軸型帶有縮放通道的冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖，其中標號1601、1602分別表示正面和俯視示意圖，1603表示采用軸向進氣方式的、外形為圓形的單個同軸型冷等離子體發(fā)生器。
圖17為采用方型縮放通道結(jié)構(gòu)的由多個方型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖，其中標號1701、1702分別表示正面和俯視示意圖，1703表示采用軸向進氣方式的、外形為方形的單個同軸型冷等離子體發(fā)生器。
權(quán)利要求
1.基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器是基于平板型結(jié)構(gòu)的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，含有電極由上、下兩塊平板構(gòu)成，該電極間有支撐和密封用的絕緣體；雙氣體源包括空氣在內(nèi)的在大氣壓下不能穩(wěn)定放電的主工作氣體的氣源，以及包括氦氣或者氬氣在內(nèi)的能在大氣壓下穩(wěn)定放電的誘導(dǎo)氣體的氣源，該主工作氣體源及誘導(dǎo)氣體源的出氣口通過傳輸管道與冷等離子體發(fā)生器電極間的放電室相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，其特征在于，還有一個流量控制器，所述流量控制器含有可編程控制器，設(shè)有，主工作氣體流量信號輸入端，該輸入端依次通過第一A/D轉(zhuǎn)換器、第一流量傳感器、第一流量計、第一閥門和主工作氣體源相連；設(shè)有誘導(dǎo)氣體流量信號輸入端，依次通過第二A/D轉(zhuǎn)換器、第二流量傳感器、第二流量計、第二閥門和誘導(dǎo)氣體源相連；設(shè)有冷等離子體射流的光信號輸入端，該輸入端依次通過第三A/D轉(zhuǎn)換器、光電倍增管和位于冷等離子體發(fā)生器輸出端的光纖相連；主工作氣體流量的控制信號輸出端，該輸出端依次通過第一電機、第一閥門和主工作氣體源相連；誘導(dǎo)氣體流量的控制信號輸出端，該輸出端依次通過第二電機、第二閥門和誘導(dǎo)氣體源相連，所述的第一流量計和第二流量計的輸出端通過氣體傳輸管道和冷等離子體發(fā)生器電極間的放電室相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述冷等離子體發(fā)生器使用裸露金屬電極。
4.基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器是基于圓型或橢圓型結(jié)構(gòu)的同軸型大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，含有內(nèi)電極，接射頻電源；絕緣支架，外套于所述內(nèi)電極；外電極，外套于所述絕緣支架并接地，該外電極側(cè)向開有進氣口，另一側(cè)有一個與所述外電極相連的噴嘴；雙氣體源，包括空氣在內(nèi)的在大氣壓下不能穩(wěn)定放電的主工作氣體的氣源，以及包括氦氣或者氬氣在內(nèi)的能在大氣壓下穩(wěn)定放電的誘導(dǎo)氣體的氣源，該主工作氣體源及誘導(dǎo)氣體源的出氣口通過傳輸管道與冷等離子體發(fā)生器電極間的放電室相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，其特征在于，還有一個流量控制器，所述流量控制器含有可編程控制器，設(shè)有，主工作氣體流量信號輸入端，該輸入端依次通過第一A/D轉(zhuǎn)換器、第一流量傳感器、第一流量計、第一閥門和主工作氣體源相連；設(shè)有誘導(dǎo)氣體流量信號輸入端，依次通過第二A/D轉(zhuǎn)換器、第二流量傳感器、第二流量計、第二閥門和誘導(dǎo)氣體源相連；設(shè)有冷等離子體射流的光信號輸入端，該輸入端依次通過第三A/D轉(zhuǎn)換器、光電倍增管和位于冷等離子體發(fā)生器輸出端的光纖相連；主工作氣體流量的控制信號輸出端，該輸出端依次通過第一電機、第一閥門和主工作氣體源相連；誘導(dǎo)氣體流量的控制信號輸出端，該輸出端依次通過第二電機、第二閥門和誘導(dǎo)氣體源相連，所述的第一流量計和第二流量計的輸出端通過氣體傳輸管道和冷等離子體發(fā)生器電極間的放電室相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙氣體源的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述的電極是裸露的。
全文摘要
本發(fā)明屬于大氣壓放電冷等子體發(fā)生器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于所述發(fā)生器的供氣系統(tǒng)采用雙氣體源供氣系統(tǒng)和裸露電極結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成平板型的或圓型或橢圓型的大氣壓放電冷等離子體發(fā)生器。所述的雙氣體源供氣系統(tǒng)可以實現(xiàn)誘導(dǎo)空氣或其它大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體放電，裸露電極結(jié)構(gòu)可以避免已有的介質(zhì)阻擋放電中電極表面電介質(zhì)損壞的問題，使冷等離子體工作氣體最終為空氣或其它大氣壓下不能穩(wěn)定放電的氣體，從而可以大大降低該項技術(shù)的使用成本。
文檔編號H05H1/30GK1859825SQ200610012139
公開日2006年11月8日 申請日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者李和平, 高星, 包成玉, 張小章, 王華博, 孫文廷 申請人:清華大學(xué)