專利名稱：一種高氣壓放電產(chǎn)生冷等離子體的方法及介質(zhì)阻擋放電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，涉及到高氣壓下氣體放電產(chǎn)生冷等離子體方法及直O(jiān)
背景技術(shù)：
高氣壓(通常在0. 1個(gè)大氣壓以上)冷等離子體中存在豐富的電子、離子、自由基 和激發(fā)態(tài)原子與分子等活性粒子。許多通常條件下不發(fā)生或者只能在極其苛刻條件下發(fā)生 的化學(xué)反應(yīng)在高氣壓冷等離子體中都很容易發(fā)生。高氣壓冷等離子體廣泛應(yīng)用于工業(yè)上諸 多領(lǐng)域。高氣壓下產(chǎn)生冷等離子體的適用方法主要有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電，此外也可 采用射頻、微波、脈沖電暈等放電方法產(chǎn)生。電暈放電起始放電電壓低、電極間隙大，但放電限于在電極尖端附近，空間分布梯 度大，其產(chǎn)生的冷等離子體體積小，且電暈電極布置的密度受到限制。為了擴(kuò)大電暈放電 的放電范圍，而又不至于造成電極之間完全擊穿而形成火花或電弧，使用脈沖電暈放電可 以產(chǎn)生較大體積相對(duì)均勻的冷等離子體，但脈沖電源成本高、壽命短，在實(shí)際應(yīng)用中受到限 制。在電暈電極對(duì)之間、或電暈電極與平電極之間插入絕緣介質(zhì)阻擋層，構(gòu)成電暈介 質(zhì)阻擋放電，可以限制電暈放電的擊穿問(wèn)題，在一定程度上提高了電暈放電產(chǎn)生冷等離子 體的總量，但放電通道的數(shù)目受制于尖端電極數(shù)目，其空間分布不均性同樣存在。使用介質(zhì)阻擋放電，包括體積放電和表面放電，可以得到較高密度的放電通道。為 了提高放電通道的密度和均勻性，通常使用較小的間隙(小于2mm)，并且提高電源電壓的 過(guò)電壓倍數(shù)。過(guò)大的間隙會(huì)延長(zhǎng)放電脈沖時(shí)間，容易引起火花放電，造成氣體溫升過(guò)高，放 電能量轉(zhuǎn)為氣體熱能而造成電能浪費(fèi)，且使放電集中在少量的通道中造成放電分布不均 勻。現(xiàn)有技術(shù)中，除了脈沖電暈方法外，尚沒(méi)有在較大空間產(chǎn)生高密度均勻冷等離子 體的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出在高氣壓下實(shí)現(xiàn)放電的空間高密度均勻分 布、產(chǎn)生大體積冷等離子體的方法和實(shí)現(xiàn)這種方法的裝置。本發(fā)明的放電產(chǎn)生冷等離子體的方法是在施加低于氣體臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)的放電空 間中添加分散的導(dǎo)電顆粒，所述導(dǎo)電顆粒引發(fā)在其周?chē)碾妶?chǎng)畸變，產(chǎn)生電暈放電，隨著外 加電場(chǎng)的上升，放電通道進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生大體積空間放電。由于電暈誘導(dǎo)的起始放電電壓 降低，使長(zhǎng)間隙的放電通道發(fā)展不至于形成火花。高密度分布的導(dǎo)電顆粒使放電通道密度 更大，分布更加均勻。實(shí)現(xiàn)高氣壓低電場(chǎng)強(qiáng)度下產(chǎn)生大空間均勻冷等離子體的目的。
為了放電在空間分布均勻，所述導(dǎo)電顆粒在空間分布相對(duì)均勻。所述導(dǎo)電顆粒可 以通過(guò)懸浮的方式、氣體作用下流動(dòng)或者重力作用下降落的方式分散在放電空間中。所述導(dǎo)電顆粒任意方向的最大尺度小于1mm，導(dǎo)電顆粒在放電空間所占的體積分 數(shù)小于30%。為了使放電通道發(fā)展不至于造成電極之間的間隙擊穿，可采用施加窄脈沖電場(chǎng)、 微波電場(chǎng)、高頻電場(chǎng)和具有介質(zhì)阻擋層的高壓交流電場(chǎng)。應(yīng)用上述方法的一種介質(zhì)阻擋放電裝置，包括由至少一對(duì)電極組成的電極對(duì)和至 少一個(gè)插入所述電極對(duì)的絕緣介質(zhì)阻擋層構(gòu)成的放電空間，在所述放電空間添加分散的導(dǎo) 電顆粒，在所述電極對(duì)上施加交流高壓電源。所述交流高壓電源在所述電極對(duì)之間產(chǎn)生低于氣體臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；所述導(dǎo)電顆粒 引發(fā)在其周?chē)碾妶?chǎng)畸變，使導(dǎo)電顆粒表面附近電場(chǎng)上升超過(guò)氣體擊穿電壓，產(chǎn)生電暈放 電，隨著外加電場(chǎng)的上升，放電沿電力線主導(dǎo)方向發(fā)展，形成由多個(gè)導(dǎo)電顆粒橋接的放電通 道；放電通道沿電力線縱向的發(fā)展止于介質(zhì)阻擋層，并使放電停止。由于導(dǎo)電顆粒的電暈誘 導(dǎo)作用，施加在放電間隙上的起始放電電壓有明顯的降低，降低了單次放電的能量和一個(gè) 放電通道對(duì)該通道周?chē)烹姷囊种?。且由于分散在放電間隙內(nèi)導(dǎo)電顆粒的電暈誘導(dǎo)作用， 放電通道的密度要大于沒(méi)有顆粒時(shí)的放電通道的密度。單次放電能量的降低使放電用于加 熱氣體的能量份額有所降低。從而實(shí)現(xiàn)大體積空間高密度均勻分布放電產(chǎn)生冷等離子體。 這可以從下面的定性分析得到理解。對(duì)于介質(zhì)阻擋放電，單個(gè)通道的放電能量W為
權(quán)利要求
1.一種在高氣壓下用氣體放電產(chǎn)生低溫冷等離子體的方法，其特征在于對(duì)所述氣體放電的放電空間施加電場(chǎng)，所述電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度低于氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；在施加電場(chǎng)的所述氣體放電空間添加導(dǎo)電顆粒，首先在所述導(dǎo)電顆粒表面附近發(fā)生電 暈放電，由所述導(dǎo)電顆粒產(chǎn)生電暈誘導(dǎo)放電產(chǎn)生。所述導(dǎo)電顆粒為固態(tài)、液態(tài)或固液混合態(tài)，所述導(dǎo)電顆粒尺寸范圍為IOym——1mm，所 述導(dǎo)電顆粒在放電空間所占的體積分?jǐn)?shù)小于30%。
2.如權(quán)利要求1所述的放電產(chǎn)生低溫冷等離子體的方法，其特征在于對(duì)所述放電空 間施加的所述電場(chǎng)的形式為交流，所述交流頻率為20Hz 20GHz。
3.如權(quán)利要求1所述的放電產(chǎn)生低溫冷等離子體的方法，其特征在于對(duì)所述放電空 間施加的所述電場(chǎng)的形式為脈沖，所述脈沖寬度小于200納秒。
4.如權(quán)利要求1所述的放電產(chǎn)生低溫冷等離子體的方法，其特征在于所述導(dǎo)電顆粒分 散在空間的方法為自由下落方式、氣流吹動(dòng)方式。
5.一種介質(zhì)阻擋放電的裝置，包括至少由一對(duì)電極、插在所述一對(duì)電極之間的至少一 個(gè)絕緣介質(zhì)阻擋層、由所述電極與所述介質(zhì)阻擋層或所述介質(zhì)阻擋層構(gòu)成的放電空間，由 在所述電極對(duì)之間施加高壓交流電源在所述放電空間產(chǎn)生電場(chǎng)，其特征在于所述放電空間的電場(chǎng)的強(qiáng)度低于氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；對(duì)所述放電空間添加導(dǎo)電顆粒。所述導(dǎo)電顆粒為固態(tài)、液態(tài)或固液混合態(tài)；所述導(dǎo)電 顆粒尺寸范圍為0. 01—1毫米；所述導(dǎo)電顆粒在在所述放電空間所占的體積分?jǐn)?shù)小于 10%。
6.如權(quán)利要求6所述的介質(zhì)阻擋放電裝置，其特征在于所述導(dǎo)電顆粒分散在空間的方 法為自由下落方式、氣流吹動(dòng)方式。
7.如權(quán)利要求6所述的介質(zhì)阻擋放電裝置，其特征在于放電首先發(fā)生在所述導(dǎo)電粒 表面附近，然后發(fā)展到貫穿所述電極與絕緣介質(zhì)阻擋層之間或所述一對(duì)絕緣介質(zhì)阻擋層之 間的、由至少一個(gè)導(dǎo)電顆粒橋接的放電通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及到高氣壓下氣體放電產(chǎn)生冷等離子體的方法，以及使用這種方法的介質(zhì)阻擋放電裝置。其方法是對(duì)施加電場(chǎng)的放電空間添加分散的導(dǎo)電顆粒，導(dǎo)電顆粒引起電場(chǎng)畸變，電暈放電首先發(fā)生在導(dǎo)電顆粒表面附近，放電通道大致沿電力線主導(dǎo)的方向發(fā)展。放電及產(chǎn)生的冷等離子體在空間分布均勻性和密度由導(dǎo)電顆粒分布主導(dǎo)。在介質(zhì)阻擋放電裝置中，添加分散的導(dǎo)電顆粒，可以使放電空間所施加的平均電場(chǎng)強(qiáng)度低于氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。因此這種放電及產(chǎn)生冷等離子體在空間分布更均勻，且可以降低放電所需的電壓，可廣泛用于各種氣相等離子體化學(xué)反應(yīng)。
文檔編號(hào)H05H1/24GK102056392SQ20101059465
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者葉桃紅, 周志鵬, 夏維東, 張濟(jì)民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)