利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法。该装置利用针电极、介质管及平板电极组成喷枪结构，通过在针电极上施加高压交流电压，在介质管敞口端的开放环境产生非均匀丝状等离子体羽，之后逐渐增加在平板电极上施加的高压正直流电压，使得非均匀丝状等离子体羽转变为均匀等离子体羽。在本发明专利技术实施例中所产生的均匀等离子体羽最大直径为20mm，大于现有大多数在惰性气体中产生的大气压等离子体羽的直径，且不需要添加其他气体，提高了处理速率和效率，适宜大规模工业应用，在表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等领域具有深远的意义。

【技术实现步骤摘要】
利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法
本专利技术涉及低温等离子体
，具体地说是一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法。
技术介绍
等离子体射流利用气流和电场的作用使得放电区域产生的等离子体从喷管或喷口喷出，实现了放电区域和工作区域的分离。大气压等离子体射流产生的等离子体羽富含多种活性粒子，如OH自由基、O3、处于激发态的N2等；还有大量高能粒子(如电子)及紫外线。这些活性粒子、高能粒子及紫外线在许多领域具有十分重要的作用，如材料处理、元素探测、废水净化、癌症治疗及牙齿美白等。等离子体羽的长度表征了射流传导活性粒子的能力，因此等离子体射流应用中力求产生更长的等离子体羽。利用单电极等离子体射流，在正弦激励下产生了长11cm的氦气等离子体羽(见公开文献AppliedPhysicsLetters,2008,92:081502)。利用高压脉冲电压激励介质阻挡放电射流，产生了长度约为6cm的氩气等离子体羽(见公开文献NanoscaleResearchLetters,2014,9:697)。这些等离子体较长，有利于处理复杂的三维物体，但直径只有亚毫米量级，限制了等离子体射流用于大面积材料处理的工作效率。由于这些细等离子体羽看起来是丝状的，如果仅通过增大射流管的直径来增加等离子体羽直径，会使等离子体羽变为不均匀的丝状放电。丝状放电会对脆弱样品造成损伤。因此，应尽量避免产生不均匀的丝状等离子体羽，实现均匀等离子体羽。鉴于此，如何产生均匀等离子体羽对射流应用具有重要意义。通过向氩气中加入氨气(或氢气)，当氨气(或氢气)的体积分数达到3％以上时，等离子体变得均匀(见公开文献PhysicsofPlasmas,2016,23,093503和JournalofappliedPhysics,2013,114,043301)。类似的，当向氩气中加入丙酮的体积分数约为3％时，放电由丝状变为均匀(见公开文献JapaneseJournalofAppliedPhysics,2011,50,116002)。以上虽然实现了均匀等离子体羽，但等离子体羽直径仍然只有毫米量级。在专利申请文件(CN201410780621.6)中公开了一种产生连续低温大截面大气压等离子体羽的装置及方法，其所产生的均匀等离子体羽的最大直径为7mm。现有研究的技术背景表明均匀冷等离子体羽的直径一般小于厘米量级。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法，以解决现有方法所产生的均匀等离子体羽直径较小的问题。本专利技术是这样实现的：一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括针电极、介质管和平板电极；针电极的放电端与平板电极的极板板面相对，且针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内，并伸入到介质管的敞口端处；针电极的非放电端与供电机构相接；所述供气机构包括供气管路以及用于向所述放电机构提供惰性工作气体的储气罐；所述供电机构包括高压交流电源、高压直流电源和镇流电阻；所述高压交流电源与所述针电极的非放电端相接；所述高压直流电源经镇流电阻与平板电极相接。本专利技术所提供的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，具体包括如下步骤：a、设置放电机构：使针电极与平板电极相对放置，针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内并伸入到介质管的敞口端处；b、设置供气机构：使储气罐通过供气管路连接介质管靠近封口端的进气口；c、设置供电机构：使针电极的非放电端连接高压交流电源，使平板电极通过镇流电阻连接高压直流电源；d、打开供气管路上的气阀，使储气罐内的惰性工作气体经供气管路流入介质管内，并经介质管的敞口端喷出，进入针电极与平板电极之间的放电空间；e、打开高压交流电源的开关，向针电极上加高压交流电压；逐步提高针电极上电压，当电压峰值为5-8.5kV时，即可在针电极和平板电极间产生大直径非均匀丝状等离子体羽；f、打开高压直流电源的开关，向平板电极上加高压正直流电压；逐渐增加平板电极上电压，当电压为5.8-15kV时，针电极与平板电极之间的大直径非均匀丝状等离子体羽会转变为均匀等离子体羽。本专利技术中，介质管的内径大于等于20mm，例如可设置介质管的内径为20-50mm，以保证所产生的等离子体羽直径达到厘米量级。本专利技术由储气罐向放电机构提供的工作气体以惰性气体为主，一些情况下含少量氧的惰性气体在本专利技术中也是可以实施的。本专利技术中，仅在高压交流电压激励的情况下产生的大直径等离子体羽是不均匀的；而利用施加的高压正直流电压抑制掉细丝放电，即可产生大直径均匀放电。本专利技术提供了一种利用惰性气体产生直径为厘米量级的大直径均匀等离子体羽的装置及方法，该装置利用针电极、介质管及平板电极组成喷枪结构，通过在针电极上施加高压交流电压，在介质管敞口端的开放环境产生非均匀丝状等离子体羽，之后逐渐增加在平板电极上施加的高压正直流电压，使得非均匀丝状等离子体羽转变为均匀等离子体羽。在本专利技术实施例中所产生的均匀等离子体羽最大直径为20mm，大于现有大多数在惰性气体中产生的大气压等离子体羽的直径，且不需要添加其他气体，提高了处理速率和效率，适宜大规模工业应用，在表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等领域具有深远的意义。本专利技术结构简单，操作方便，价格低廉，装置设置于开放的大气环境中，摆脱了昂贵的真空装置，便于实现对大面积材料的快速处理。附图说明图1是本专利技术利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置的结构示意图。图2是本专利技术实施例2中在高压交流电压峰值为6.3kV，对应高压直流电压分别为0kV、5kV、6.5kV和9kV时，所拍摄的针电极与平板电极之间的放电照片图。图3是本专利技术实施例2中在高压交流电压峰值为6.3kV，对应高压直流电压分别为0kV、和9kV时，针电极与平板电极之间的电压波形以及等离子体羽的发光信号波形示意图。图中：1、高压交流电源；2、储气罐；3、气阀；4、供气管路；5、气压表；6、流量计；7、针电极；8、介质管；9、平板电极；10、镇流电阻；11、高压直流电源。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施。因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。实施例1，利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置。如图1所示，本专利技术所提供的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置包括放电机构、供气机构和供电机构。放电机构包括两个放电电极和一个介质管8，两个放电电极分别为针电极7和平板电极9。介质管8呈一端封口另一端敞口的管状结构，针电极7的一端(非放电端)与供电机构相连接，另一端为针尖状结构的自由端，该自由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括针电极、介质管和平板电极；针电极的放电端与平板电极的极板板面相对，且针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内，并伸入到介质管的敞口端处；针电极的非放电端与供电机构相接；所述供气机构包括供气管路以及用于向所述放电机构提供惰性工作气体的储气罐；其特征是，所述供电机构包括高压交流电源、高压直流电源和镇流电阻；所述高压交流电源与所述针电极的非放电端相接；所述高压直流电源经镇流电阻与平板电极相接。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括针电极、介质管和平板电极；针电极的放电端与平板电极的极板板面相对，且针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内，并伸入到介质管的敞口端处；针电极的非放电端与供电机构相接；所述供气机构包括供气管路以及用于向所述放电机构提供惰性工作气体的储气罐；其特征是，所述供电机构包括高压交流电源、高压直流电源和镇流电阻；所述高压交流电源与所述针电极的非放电端相接；所述高压直流电源经镇流电阻与平板电极相接。


2.根据权利要求1所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，其特征是，所述介质管的内径为20-50mm。


3.根据权利要求1所述的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，其特征是，所述高压交流电源的输出电压峰值为5-8.5kV，所述高压直流电源的输出电压为5.8-15kV。


4.一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，其特征是，包括如下步骤：
a、设置放电机构：使针电极与平板电极相对放置，针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内并伸入到介质管的敞口端处；
b、设置供气机构：使储气罐通过供气管路连接介质管靠近封口端的进气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪辰，赵娜，陈俊宇，宋彩虹，贾鹏英，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北;13