專利名稱：簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體放電反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種冷等離子體射流發(fā)生 裝置，特別涉及到一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器。
背景技術(shù)：
低溫等離子體空間富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子及自由基都是極 活潑的反應(yīng)性物種，這些活性粒子數(shù)量大、種類多、活性高，易于和所接觸的 材料表面發(fā)生反應(yīng)，因此近年來，低溫等離子體在滅菌消毒、表面改性(改善 紙張、薄膜、紡織品以及纖維的可濕性、吸水性、印染性、粘著性和導(dǎo)電性等 方面的性質(zhì))、薄膜沉積、刻蝕加工、器件清洗等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 目前，多數(shù)低溫等離子體是在幾百帕的低氣壓下通過氣體放電產(chǎn)生的，但對(duì)于 大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，低氣壓等離子體存在兩個(gè)重要缺點(diǎn)(1)放電和反應(yīng)室處于低氣壓狀態(tài)，需采用真空系統(tǒng)，投資高且應(yīng)用復(fù)雜；(2)分批處理效率低，需要 不斷地打開真空室取出成品添加試品，然后重新抽真空充入工作氣體，難于連 續(xù)生產(chǎn)。因此，更適合用于大規(guī)模低溫生產(chǎn)應(yīng)用的是大氣壓下形成的低溫等離 子體。大氣壓冷等離子體射流是近年來興起的一種新型大氣壓類輝光等離子體發(fā) 生技術(shù)，這種技術(shù)可以將微小空間內(nèi)的放電加以擴(kuò)大并引出，形成較為開闊的 大氣壓類輝光放電等離子體。應(yīng)用多種工作氣體及其混合氣體都可以有效地產(chǎn) 生冷等離子體射流，具有擊穿電壓較低、離子和亞穩(wěn)態(tài)原子濃度較高、電子溫度高、中性粒子溫度低、產(chǎn)生的等離子體中均勻部分較大、可控性好等特點(diǎn)， 是目前國(guó)際上等離子體應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)大氣壓冷等離子體射流裝置 多由石英管介質(zhì)阻擋射頻感性耦合或容性耦合放電產(chǎn)生，但是對(duì)于這種在介質(zhì) 阻擋方式下由射頻放電產(chǎn)生的等離子體射流，當(dāng)射頻功率輸入超出某一范圍時(shí)， 射頻等離子體射流容易轉(zhuǎn)化為均勻性差的高溫電弧，降低了大氣壓冷等離子體 射流的穩(wěn)定性。同時(shí)，傳統(tǒng)射流源的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，射頻電源的應(yīng)用也增加了 操作、控制及維護(hù)的復(fù)雜性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器，具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。以氬氣或氦氣為工作氣體，可在常壓開放空氣環(huán)境 中獲得均勻穩(wěn)定的冷等離子體射流，具有溫度低、長(zhǎng)度長(zhǎng)、產(chǎn)生及維持電壓低、 連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，可用于滅菌消毒、表面改性、器件清洗等應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案是該裝置的主體部分是一根兩端開放的毫米量級(jí)石英 管，規(guī)格為內(nèi)徑5.5mra，外徑8mra，其一端作為反應(yīng)器進(jìn)氣口，通過導(dǎo)管經(jīng)流量 計(jì)與供氣源相連，供氣源所供工作氣體為氬氣或氦氣，另一端作為等離子體射 流出口。距離射流出口上方10mm處有一對(duì)針電極嵌入石英管內(nèi)，兩針電極呈徑 向?qū)ΨQ，電極之間間距2. 5mm。與48kHz交流源相連的一側(cè)針電極為功率電極， 交流源電壓0-10kV可調(diào)；與功率電極相對(duì)的另一側(cè)針電極直接懸浮于周圍開放 空氣環(huán)境中無須接地，作為懸浮電極。通過施加電壓，電極之間發(fā)生放電產(chǎn)生 等離子體，在流動(dòng)氣體作用下，放電區(qū)等離子體被噴射出管外形成射流。當(dāng)輸 入工作氣體流量保持一定時(shí)，持續(xù)增大外加電壓，該簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等 離子體射流發(fā)生器將經(jīng)歷擊穿放電、穩(wěn)態(tài)射流、非穩(wěn)態(tài)射流、射流消失轉(zhuǎn)為管 內(nèi)放電四個(gè)階段，各階段對(duì)應(yīng)閾值電壓根據(jù)所使用工作氣體不同有所差異。以上四個(gè)環(huán)節(jié)中，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的為穩(wěn)態(tài)射流階段及非穩(wěn)態(tài)射流階段。除外 加電壓外，氣體流量也會(huì)影響放電強(qiáng)度及射流形貌。若輸入氣流過小，則無法 產(chǎn)生等離子體射流；若輸入氣流過大，則射流出口處會(huì)形成湍流，不宜射流穩(wěn) 定運(yùn)行。在上述規(guī)格及條件下，形成穩(wěn)定氬氣或氦氣等離子體射流的合適氣流范圍為0.08 mVh- 0. 3mVh?？傊?，通過調(diào)節(jié)外加電壓及工作氣體流量，可獲 得均勻、穩(wěn)定的冷等離子體射流。本發(fā)明的效果和益處在于通過使用針針電極結(jié)構(gòu)并引入懸浮電極，可有效改進(jìn)、提高冷等離子體射流性質(zhì)。由于針電極尖端曲率較大，且兩針電極間 距較近，因此利用針針電極結(jié)構(gòu)更易于產(chǎn)生較強(qiáng)電場(chǎng)，可明顯降低等離子體射流產(chǎn)生及維持電壓；懸浮電極的引入大大優(yōu)化了射流特性，由于不需使用外接 器件，在簡(jiǎn)化電路構(gòu)造的同時(shí)，更降低了能量在外回路的損耗，使能量更易集 中在射流產(chǎn)生通道，提高了能量利用率；此外，懸浮電極還可以控制電荷積累， 有效控制針針放電強(qiáng)度，增強(qiáng)射流穩(wěn)定性，防止射流熱化。使用該裝置，可在 常壓開放環(huán)境下獲得均勻、穩(wěn)定的冷等離子體射流，具有溫度低、長(zhǎng)度長(zhǎng)、產(chǎn) 生及維持電壓低、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。


附圖1是本發(fā)明簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中101. 流量計(jì)，用于控制輸入反應(yīng)器的工作氣體流量。102. 進(jìn)氣口，用于輸入工作氣體。103. 石英管，反應(yīng)器主體部分，用于固定電極位置，提供放電發(fā)生環(huán)境，規(guī) 格為內(nèi)徑5.5mm，外徑8mm。104. 功率電極，作為能量輸入端，位于距離石英管下游端口上方10mm處，與48kHz交流功率源相連。105. 懸浮電極，位于距離石英管下游端口上方10mm處，直接懸浮于周圍空 氣環(huán)境中無須接地；與功率電極呈徑向?qū)ΨQ，兩電極之間間距2.5mm。106. 射流出口，即石英管下游端口，可將微小空間內(nèi)放電產(chǎn)生的等離子體引 出，形成較為開闊的等離子體。107. 48kHz交流功率源，電壓0-10kV可調(diào)，用于提供電壓。108. 48kHz交流功率源接地。附圖2是簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器俯視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。 工作氣體(氦氣或氬氣)經(jīng)流量計(jì)101后，由進(jìn)氣口 102進(jìn)入石英管103。 射流出口 106上方10mm處有一對(duì)針電極嵌入石英管內(nèi)，與48kHz交流源107 相連的一側(cè)針電極為功率電極104，交流源電壓0-10kV可調(diào)；與功率電極相對(duì) 的另一側(cè)針電極直接懸浮于周圍開放空氣環(huán)境中無須接地，作為懸浮電極105; 兩針電極呈徑向?qū)ΨQ，電極之間間距2.5mm。當(dāng)通過功率電極施加交流高壓達(dá)到氣體擊穿閾值時(shí)，兩針電極之間產(chǎn)生放 電，形成強(qiáng)度較小的微?。淮藭r(shí)略提升電壓，使得放電區(qū)電離增強(qiáng)，粒子密度 增多，在流動(dòng)氣體作用下，放電區(qū)等離子體被噴射出管外，在射流出口 106處 形成均勻穩(wěn)定的類輝光射流，長(zhǎng)度可達(dá)50mm-70mm。用示波器及光電倍增管做 在線分析發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)射流的光電流與外加電壓頻率相同，且每半周期出現(xiàn)一次 脈沖峰，這一規(guī)律與大氣壓輝光放電電流狀態(tài)相似；用光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā) 現(xiàn)，當(dāng)以氬氣、氦氣為工作氣體時(shí)，穩(wěn)態(tài)射流溫度僅為2(TC左右，屬典型低溫等離子體；通過光譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，射流區(qū)富集0H、 0、及激發(fā)態(tài)原子等活性反應(yīng)物 種。此外，穩(wěn)態(tài)氬氣或氦氣等離子體射流一旦形成，便可連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)小 時(shí)。因此，該簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)射流可 用于滅菌消毒、表面改性、器件清洗等應(yīng)用領(lǐng)域，特別適于對(duì)溫度較為敏感的 材料表面進(jìn)行處理。在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電壓時(shí)，放電強(qiáng)度增強(qiáng)，射流區(qū)變亮，但射流仍 可保持穩(wěn)態(tài)，且射流長(zhǎng)度幾乎不變；當(dāng)電壓增至一定程度時(shí)，射流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)少 量放電細(xì)絲，射流過渡到非穩(wěn)態(tài)，長(zhǎng)度略有減小。通過示波器及光電倍增管測(cè) 量發(fā)現(xiàn)，此時(shí)在光電流主脈沖上出現(xiàn)若干細(xì)小脈沖，具有一定的絲狀放電特征; 光譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，射流區(qū)仍有大量的OH、 0、及激發(fā)態(tài)原子等活性反應(yīng)物種。因此， 非穩(wěn)態(tài)射流仍可應(yīng)用于滅菌消毒、器件清洗等方面，但不宜用于布匹、紙張等 材料的表面改性，以防局部溫度過高，造成燒蝕或穿孔。在非穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大電壓至一定值，射流出口處的等離子體射流將 突然消失，轉(zhuǎn)而在射流管內(nèi)部出現(xiàn)大量無規(guī)則螺旋狀放電細(xì)絲。這一過程避免 了射流的進(jìn)一步熱化，加強(qiáng)了裝置的可控性，同時(shí)增加了對(duì)所處理材料的保護(hù)。 綜上，該簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器的可用階段為穩(wěn)態(tài)射流及 非穩(wěn)態(tài)射流。除外加電壓外，氣體流量也會(huì)影響放電強(qiáng)度及射流形貌。若氣流過小，則 無法產(chǎn)生等離子體射流；若輸送氣流過大，則射流出口處會(huì)形成湍流，不宜射 流穩(wěn)定運(yùn)行。在上述規(guī)格及條件下，形成穩(wěn)態(tài)氬氣或氦氣射流的合適氣流范圍 為O. 08 m3/h- 0.3mVh。具體實(shí)施例采用純度99.999%的高純氬氣為工作氣體，能夠產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)射流及非穩(wěn)態(tài)射流的流量下限是O. 08m3/h。當(dāng)流量為0.26 mVh時(shí)，各階段閾值電壓及射流特性如下1. 兩針電極之間產(chǎn)生放電，形成低強(qiáng)度微弧的擊穿閾值是2.7kV。2. 進(jìn)一步增大電壓，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)射流的電壓區(qū)間為3.6kV-4.4kV;穩(wěn)態(tài)射流 的宏觀溫度范圍是18.7"-22.3"C，電子激發(fā)溫度為3329K-3715K;射流長(zhǎng)度始終 保持在60mm左右。3. 繼續(xù)增大電壓，出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)射流的電壓區(qū)間是4.4kV-5.6kV;電子激發(fā)溫 度為3329K-4405K;非穩(wěn)態(tài)射流長(zhǎng)度較穩(wěn)態(tài)射流略短，約為40mm-60mm。4. 當(dāng)外加電壓大于5.6 kV時(shí)，射流消失，轉(zhuǎn)而在射流管內(nèi)部出現(xiàn)大量無規(guī) 則螺旋狀放電細(xì)絲。
權(quán)利要求
1.一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器，其特征在于裝置主體為一根兩端開放的毫米量級(jí)石英管，與供氣源相連的一端為發(fā)生器進(jìn)氣口，另一端為射流出口；射流出口上方石英管內(nèi)嵌入一對(duì)針電極，兩電極呈徑向?qū)ΨQ，與交流源相連的一側(cè)針電極為功率電極，另一側(cè)針電極直接懸浮于空氣中為懸浮電極；通過施加電壓，兩針電極之間放電產(chǎn)生等離子體，在流動(dòng)氣體作用下，放電區(qū)等離子體被噴射出管外形成射流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生 器，其特征在于射流出口上方10mm石英管內(nèi)嵌有一對(duì)針電極，兩電極呈徑向 對(duì)稱，電極之間間距2.5mm，與交流源相連的一側(cè)針電極為功率電極，另一側(cè)針 電極直接懸浮于空氣中無須接地，作為懸浮電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生 器，其特征在于所采用電源為48kHz交流功率源，電壓0-10kV可調(diào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生 器，其特征在于供氣源所提供工作氣體為氬氣或氦氣。
全文摘要
本發(fā)明屬于等離子體放電反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種簡(jiǎn)易大氣壓懸浮電極冷等離子體射流發(fā)生器。特征在于裝置主體為一根毫米量級(jí)石英管，與供氣源相連一端為發(fā)生器進(jìn)氣口，另一端為射流出口；射流出口上方有一對(duì)針電極嵌入石英管內(nèi)，兩電極呈徑向?qū)ΨQ，與交流源相連的一側(cè)針電極為功率電極，另一側(cè)針電極懸浮于空氣中為懸浮電極；通過施加電壓，電極之間放電產(chǎn)生等離子體，經(jīng)流動(dòng)氣體作用噴射出管外形成射流。本發(fā)明的效果和益處在于針電極結(jié)構(gòu)可降低射流產(chǎn)生及維持電壓；懸浮電極不但有利于提高能量利用率，還可有效控制放電強(qiáng)度，維持穩(wěn)定放電；所獲常壓等離子體射流具有溫度低、長(zhǎng)度長(zhǎng)、產(chǎn)生及維持電壓低、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H05H1/26GK101252805SQ20081001090
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者任春生, 王德真, 聶秋月 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)