專利名稱：介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種介質阻擋放電低溫等離子體電刷發生裝置。
背景技術：
中國專利ZL201120020842. 5《大氣壓低溫等離子體電刷發生裝置及其陣列組合》 中公開的大氣壓低溫等離子體電刷發生裝置，由一個主體腔室，兩個電極，一個限流電阻， 一個質量流量計和一個電源設備組成。主體腔室包括兩個端口，一個端口為進氣端口，另一個端口為出氣端口，主體腔室內靠近該出氣端口的部分自然形成窄縫腔體。在主體腔室內部，靠近出氣端口布置著兩個電極。其中的一個電極與限流電阻連接。主體腔室是由如聚四氟乙烯一類的聚合物或絕緣陶瓷材料制成；電極為耐熱的金屬材料。腔室中兩個電極正對的端面既可以是平面也可以是針尖狀。該裝置中的質量流量計用來控制流經腔室的等離子體氣流。電源設備提供直流或交流電壓。電路中串聯的限流電阻可以抑制陰極區域的電場波動，限制兩極之間放電電流的大小，防止輝光放電轉變成電弧放電，從而使得在氣體腔室中可以產生穩定的輝光放電。工作時，在兩個電極之間加上一定的電壓，等離子體維持氣體和活性氣體從進氣端口流入腔室，流經兩電極之間的區域時，將發生穩定的等離子體氣體放電。在兩電極放電區間形成的等離子體氣流從腔室的窄縫流出，窄小的狹縫可確保等離子體氣體在噴出腔室的瞬間有較高的速度。從狹縫腔體快速流出的等離子體氣體攜帶著部分的熱量，正以此消除輝光放電的熱不穩定因素。等離子體氣流以很快的速度從腔室噴出，向外延伸成刷狀穩定的低溫等離子體射流，形成大氣壓低溫等離子體電刷。盡管與傳統的等離子體發生裝置相比，該裝置已經取得了長足的進步，其結構簡明、成本低廉，無需昂貴的真空系統就可以在常壓下產生低溫等離子體射流；操作安全方便，對被處理物品的尺寸和形狀沒有嚴格的限制。但是，其耗能較高。由于在放電回路中設置了限流電阻，在放電電流過大時將會產生大量的焦耳熱而將其浪費；其次，為生成較大體積的等離子體而增加放電電極之間的間距，間距的增加同時增大了兩電極之間的擊穿電壓，以及等離子體的放電功率。這樣不僅消耗和浪費過多的能量，還對外界電源提出了更高的要求。

發明內容
本發明提供一種介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，對背景技術中的技術方案進行改進，以顯著降低能耗。為實現以上發明目的，本發明提供如下技術方案介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，包括具有進氣端口和出氣端口的主體腔室和一對主放電電極，主體腔室由絕緣材料制成；所述出氣端口為窄縫狀，主體腔室內靠近該出氣端口的部分形成窄縫腔體，出氣端口的寬度與厚度之比為5 100 ；所述主放電電極的放電端位于所述窄縫腔體處；其特殊之處在于在進氣端口與主放電電極的位置之間還設置有用以對工作氣體進行預電離的一對平板電極，平板電極與主放電沿工作氣體流速方向的間距不小于1mm，平板電極的放電端面設置有絕緣層。上述窄縫腔體的結構形式可以是主體腔室內自進氣端口至出氣端口逐漸收縮或趨于扁平；或者主體腔室內整體即為窄縫腔體，效果更佳。若優選上述所述主體腔室內整體為長方體的窄縫腔體，平板 電極的金屬表面沿長方體寬邊平行緊貼窄縫腔體外壁上，窄縫腔體的腔壁作為平板電極介質阻擋放電的絕緣介質層。(若將平板電極置于主體腔室內部則有以下不利因素其一，在結構設計上將更復雜；其二，會讓更多的電極與等離子體接觸，這樣不僅會腐蝕電極，而且還會讓等離子體中含有不利的成份；其三，經理論分析和實驗驗證，介質阻擋放電置于內部時的效果與置于外部基本相當。)上述主放電電極的回路上最好再串聯限流電阻。為平板電極提供放電電壓的電源采用交流電源，交流電源的頻率從工頻至 13. 56MHz的射頻范圍內可調；電源模式為連續或脈沖形式；其中，平板電極的的放電電流有效值不大于10mA。(放電電壓幅值根據因放電電壓與窄縫寬度、工作氣體類別、兩邊的腔壁厚度確定，一般在100 9000伏。)上述平板電極介質阻擋放電功率不大于IW時，工作氣體流速為1 lOOL/min ；以 1 30L/min更佳。上述主體腔室(的腔壁)可以由聚四氟乙烯、絕緣陶瓷或兩者的混合材料制成。上述主放電電極和平板電極最好采用由銅、鋁、鎢、鎳、鉭、鉬或其合金制成的電極，兩個主放電電極相互正對的放電端面為平面或針尖狀。較之于背景技術，本發明具有以下顯著效果(1)主放電或產生刷狀等離子體的起始電壓更低，正常輝光放電時額定工作電壓和電流更小，等離子體放電的能量更少，消耗在限流電阻上的焦耳熱也更少，可以延長主放電電極和限流電阻的使用壽命；(2)介質阻擋放電本身所消耗的能量可以控制在1瓦以內，遠小于產生等離子體電刷或主放電所需要的能量；(3)經介質阻擋放電輔助的大氣壓低溫等離子體電刷發生裝置產生的等離子體更穩定，尺寸更大，活性物種更豐富，也更方便操作與控制，非常適合于在大氣環境中使用。


圖1為本發明的主體腔室的結構示意圖。圖2為本發明的主體腔室的俯視示意圖。圖3為本發明的工作示意圖。圖4為本發明的一對平板電極進行介質阻擋放電預電離時的瞬時電壓和電流(傳導電流)波形圖。圖5為本發明工作時主放電電極的擊穿電壓(Ignition potential)隨工作氣體流速(Gas flowrate)的變化關系的對照曲線圖(與沒有采用預電離(輔助放電)的條件相比)。圖6為本發明工作時等離子體放電功率(Plasma discharge power)隨氣體流速的變化關系的對照曲線圖(與沒有采用預電離(輔助放電)的條件相比)。圖7為本發明工作時限流電阻所消耗的功率(Joule heat)隨氣體流速的變化關系的對照曲線圖(與沒有采用預電離(輔助放電)的條件相比)。
具體實施例方式本發明的工作原理是在產生等離子體電刷主放電以前，預先對工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)進行預放電，將部分氣體電離，部分預電離的工作氣體再流經主放電區域進行放電。主放電時，氣體中存有的已電離正負離子、甚至少量的電子能夠減少氣體的擊穿閾值，從而降低主放電的起始電壓，還可以進一步適當地減少額定工作電壓和電流，這樣不僅減少了等離子體本身產生所需要的能量，而且還降低了限流電阻所消耗的焦耳熱，在很大程度上節省了能量。如圖1、圖2所示，相對于原有裝置(ZL201120020842. 5的方案)，本發明結構上的改進主要體現在，在工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)進氣端口與主放電電極之間設置另一對互相平行，且正對的平板電極。平板電極通常為長方體，由銅、鋁、鎢、 鎳、鉭、鉬或其合金材料制成。平板電極置于窄縫腔體外部(在本實施例中主體腔室內整體為窄縫腔體的形式)，用于放電的兩金屬表面分別平行緊靠著窄縫腔體較寬外表面的兩邊。 兩平板電極所正對的面覆蓋窄縫的寬度，但不超越腔體外圍的寬度。兩平板電極與主放電兩電極沿工作氣體流速方向的間距不小于1mm。兩平板電極、平板電極之間的兩層絕緣介質(兩平板電極緊靠著主體腔室兩側的外表面，兩邊的腔壁用作介質阻擋放電的絕緣介質層)、以及放電間隙構成一個介質阻擋放電(DBD)等離子體發生器。其中一個電極接高壓交流電源的高壓端；另一電極接地。交流電壓的頻率可以從工頻變化到13. 56MHz的射頻；幅值通常為幾百伏到幾千伏；放電電流有效值不大于IOmA ；電源模式為連續或脈沖形式。工作時，讓工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)從進氣端口流入腔室， 在流經兩平板電極所對應的區域時，在兩電極上外加一定的交流電壓，電壓幅值控制在工作氣體擊穿閾值附近，使DBD功率不大于1W。經DBD預處理的部分預電離氣體在穿越腔室之前，在靠近出氣端口主放電所對應的兩個電極上外加一定的電壓來再次激發預電離的工作氣體，使其放電產生刷狀的等離子體射流，從出氣端口噴出。在主放電回路利用限流電阻，選擇合適的等離子體維持氣體和活性氣體，以及合理地設計窄縫腔體可以避免輝光放電轉變成電弧放電。刷狀等離子體射流從腔室的出口噴出，該射流具有非平衡態等離子體的活性特征，因而，此等離子體發生設備可以用來進行等離子體表面處理和清洗、等離子體沉積、等離子體殺菌以及等離子體凈化和生化武器的排除。下面進一步詳述本發明的結構和工作過程。介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置包括主體腔室12，主體腔室12 有兩個端口，一個端口 14和另一個端口 16。等離子體維持氣體和活性氣體從端口 14流入腔室，流經主體腔室12內部的窄縫腔體(在本實施例中主體腔室12內整體為窄縫腔體)。等離子體電刷發生裝置還包括兩個電極，一個電極20和另一個電極22。電極20 和電極22均在主體腔室12的內部，相互正對著，并靠近端口 16。在端口 14與電極20或22之間，等離子體電刷發生裝置還包括兩個平行板電極17 和電極18，電極17和電極18分別位于腔體外側兩邊。
等離子體維持氣體和活性氣體持續地從端口 14流入主體腔室12，首先流經電極 17和電極18所對應的放電區域，在不大于IW的功率下部分工作氣體發生預電離，預電離的后的氣體再流經電極20和電極22所對應的放電區域，當電極20和22兩端電壓足夠高時，氣體將被再次擊穿，在腔室內部形成較大體積和較高濃度的等離子體氣流，該氣流經窄縫腔體從端口 16噴出，形成刷狀的射流M。圖3為本發明的大氣壓介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置沈的工作示意圖。大氣壓等離子體電刷發生裝置26除了含有一個主體腔室12以外，還包括限流電阻28和電源設備30和電源設備40。電源設備30為靠近端口 16處的電極20和電極22 提供放電電壓，形成主放電回路；電源設備40為電極17和電極18提供放電電壓，形成介質阻擋放電回路。另外，還有分別控制等離子體維持氣體和活性氣體流速的質量流量計34和 32。工作時，等離子體維持氣體通過流量計34控制途經管道38再由進氣端口流入腔室；活性氣體通過流量計32控制途經管道38再由進氣端口流入腔室。等離子體維持氣體和活性氣體首先流經電極17和電極18所對應的放電區域發生預電離，預電離后的氣體再流經電極20和電極22所對應的放電區域，當加在電極20和22兩端的電壓足夠高時，流經兩電極之間區域的氣體就被再次擊穿，發生放電現象，形成等離子體氣流。串聯在電路中的限流電阻觀可以限制兩極之間放電電流的大小和抑制陰極區域的電場波動，防止電極之間的輝光放電轉變成電弧放電。等離子體氣流因本身流速的影響，便能以穩定刷狀低溫等離子體射流M的形式從窄縫腔體噴出。將低溫等離子體電刷發生裝置沈產生的低溫等離子體射流對觸及到被處理物體36的表面，并與其適當地接觸和來回移動，就可以對物體36 的整個表面或預處理表面進行處理。通過實驗，驗證了本發明能夠顯著地降低能耗。以下舉例說明。在大氣環境下采用本發明進行實驗，等離子體電刷發生裝置的一對主放電電極端面的間距為15mm，主放電電極直徑均為0. 9mm ；外加正弦交流電壓使腔體內部的氣體發生預電離，電壓頻率為9. OKHz0圖4展示了一對平板電極進行介質阻擋放電預電離時的瞬時電壓和電流(傳導電流)波形圖。此時放電電壓峰峰值約3. 6KV;在外加電壓的半個周期內，出現2 3個電流脈沖，電流幅值約1mA。放電功率為單位時間內在外加電壓正負半個周期內發生電流脈沖時，該時刻的外加電壓轉移相應電荷所做的功疊加。即Pdbd = /· \Tu(t)l(t)dt，通過檢測和計算得到放電功率Pdbd ^ 10mW。
JO從圖5中可以看出，在DBD輔助與否的情況下，擊穿電壓皆隨著氣流增加而緩慢增加，這是由于正負離子或電子的擴散速度隨著流速不斷增加的緣故。比較DBD輔助前后兩種情形，DBD輔助前的氣體擊穿電壓約5. IKV ；輔助后，擊穿電壓降至1. 3KV左右。可見采用 DBD預電離的方式可以大幅減少工作氣體的擊穿電壓。圖6是在DBD輔助前后等離子體放電功率(Plasma discharge power)隨氣體流速的變化關系。兩種情形下，等離子體的放電功率皆隨著氣體流速的增加而增加，此說明要維持穩定的正常輝光放電，氣體流速越大，所需要的功率越高。比較DBD輔助前后情形，在 DBD輔助前，維持正常輝光放電的功率約45W ；通過DBD輔助后，維持正常輝光放電的功率下降到IOW左右。此表明DBD預電離過程將等離子體放電功率降至到原來的1/5 1/4，在很大程度上節省了能量的使用。圖7是在DBD輔助前后限流電阻所消耗的功率(Joule heat)隨氣體流速的變化關系。兩種情形下，在限流電阻上產生的焦耳熱皆隨著氣體流速的增加而增加，這是由于放電電流隨著氣體流速不斷增加的緣故。比較DBD輔助前后情形，在DBD輔助前，在限流電阻上產生的焦耳熱約130W;通過DBD輔助后，在限流電阻上產生的焦耳熱下降到35W左右。DBD 預電離過程將限流電阻上所產生的焦耳熱降低到約原來的1/4，同樣在很大程度上減少了能量的浪費和損失。以上實驗數據表明，低能耗的DBD預電離方式可以有效地降低氣體擊穿電壓，減少等離子體放電功率和限流電阻所產生的焦耳熱，以及延長限流電阻和主放電電極的使用壽命。因而，該大氣壓介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置在物質表面清理、材料性質改良、殺菌和環境凈化等領域有著巨大潛在的應用價值。
權利要求
1.介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，包括具有進氣端口和出氣端口的主體腔室和一對主放電電極，主體腔室由絕緣材料制成；所述出氣端口為窄縫狀，主體腔室內靠近該出氣端口的部分形成窄縫腔體，出氣端口的寬度與厚度之比為5 100 ；所述主放電電極的放電端位于所述窄縫腔體處；其特征在于在進氣端口與主放電電極的位置之間還設置有用以對工作氣體進行預電離的一對平板電極，平板電極與主放電沿工作氣體流速方向的間距不小于1mm，平板電極的放電端面設置有絕緣層。
2.根據權利要求1所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，其特征在于主體腔室內自進氣端口至出氣端口逐漸收縮或趨于扁平，或者主體腔室內整體即為窄縫腔體。
3.根據權利要求2所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，其特征在于所述主體腔室內整體為長方體的窄縫腔體，平板電極的金屬表面沿長方體寬邊平行緊貼窄縫腔體外壁上，窄縫腔體的腔壁作為平板電極介質阻擋放電的絕緣介質層。
4.根據權利要求1至3任一所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置， 其特征在于主放電電極的回路上還串聯有限流電阻。
5.根據權利要求4所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，其特征在于為平板電極提供放電電壓的電源采用交流電源，交流電源的頻率從工頻至13. 56MHz的射頻范圍內可調；電源模式為連續或脈沖形式；其中，平板電極的的放電電流有效值不大于 10mA。
6.根據權利要求5所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，其特征在于平板電極介質阻擋放電功率不大于1W，工作氣體流速為1 lOOL/min。
7.根據權利要求6所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，其特征在于所述主體腔室由聚四氟乙烯、絕緣陶瓷或兩者的混合材料制成。
8.根據權利要求7所述的介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，其特征在于所述主放電電極和平板電極均為銅、鋁、鎢、鎳、鉭、鉬或其合金制成的電極，兩個主放電電極相互正對的放電端面為平面或針尖狀。
全文摘要
本發明提供一種介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置，對背景技術中的技術方案進行改進，以顯著降低能耗。該介質阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發生裝置在進氣端口與主放電電極的位置之間還設置有用以對工作氣體進行預電離的一對平板電極，平板電極與主放電沿工作氣體流速方向的間距不小于1mm，平板電極的放電端面設置有絕緣層。本發明主放電或產生刷狀等離子體的起始電壓更低，正常輝光放電時額定工作電壓和電流更小，等離子體放電的能量更少，消耗在限流電阻上的焦耳熱也更少，可以延長主放電電極和限流電阻的使用壽命。
文檔編號H05H1/24GK102448239SQ20121000602
公開日2012年5月9日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者段憶翔, 湯潔, 王屹山, 趙衛 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所