一種交流半波等離子體放電方法與流程
2023-06-02 01:30:06 3
本發明涉及等離子體放電及應用技術領域，具體地說是一種交流半波等離子體放電方法。
背景技術：
光子晶體是將兩種介電常數不同的介質材料在空間周期排列形成的一種人造「晶體」結構。晶體中介質材料的折射率配比和不同介電常數的空間比以及「晶格」結構等直接決定了光子晶體的光子帶隙，且其光子禁帶位置是固定的，很難實現對電磁波的可調性控制。等離子體光子晶體，作為一種新型的光子晶體，由於其結構的時空可調，使其可以靈活調節相應的光子帶隙，改變其能帶位置和寬度，進而使頻率落在該帶隙的光禁止傳播，實現對光頻率的選擇和光傳播的控制。基於此，等離子體光子晶體在濾波器、等離子體天線、光開關以及等離子體隱身等眾多電磁波控制領域得到廣泛的應用。
目前，等離子體的應用研究，主要以氣體放電產生等離子體的特徵和其中化學反應為主要研究對象。氣體放電產生等離子體主要有：弧光放電、電暈放電、輝光放電、介質阻擋放電（dbd）和大氣壓下輝光放電等幾種。其中，弧光放電因產生的等離子體溫度過高，從而限制了其在工業生產中的應用；電暈放電產生的低溫等離子體主要分布在極不均勻電場中的強電場區域，不適於工業大規模應用，而且這种放電較弱，產生等離子體及活性粒子的效率太低；輝光放電一般在低氣壓下進行，需要真空系統，在工業化處理過程中需要不斷地打開真空室取出成品，添加試品，難以連續生產，生產效率低；最適合工業生產應用的是介質阻擋放電和大氣壓下的輝光放電。
介質阻擋放電（dielectricbarrierdischarge，dbd）是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡態氣體放電，又稱介質阻擋電暈放電或無聲放電。介質阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率範圍內工作，通常的工作氣壓為10~10000pa，電源頻率可從50hz至1mhz。目前，申請人採用雙水電極介質阻擋放電（dbd）裝置，實現了在放電空間具有幾種折射率的等離子光子晶體，但同時在不同空間實現兩種不同帶隙結構的等離子光子晶體尚未研究。
技術實現要素：
本發明的目的就是提供一種交流半波等離子體放電方法，採用該方法可在不同空間形成不同帶隙結構的等離子體光子晶體。
本發明是這樣實現的：一種交流半波等離子體放電方法，包括如下步驟：
a、搭建交流半波等離子體放電裝置，所述交流半波等離子體放電裝置包括高壓等離子體放電單元、高壓整流單元和高壓電源；
所述高壓等離子體放電單元包括相對設置的高壓端水電極和地端水電極；所述高壓端水電極包括兩個並置且分離的單管，每一單管內均盛有蒸餾水，單管的兩端面由透明玻璃或有機玻璃密閉，在單管上開有注水孔；在所述高壓端水電極和所述地端水電極之間緊密放置有放電間隙絕緣隔板，在所述放電間隙絕緣隔板上制有兩個相同的通孔，兩個通孔分別對應高壓端水電極的兩個單管，兩個通孔構成放電間隙空間；
所述高壓整流單元包括第一高壓二極體和第二高壓二極體；所述第一高壓二極體的正極與所述高壓端水電極的一個單管相接，所述高壓端水電極的另一個單管與所述第二高壓二極體的負極相接，所述第一高壓二極體的負極和所述第二高壓二極體的正極均與所述高壓電源的高壓端相接，所述高壓電源的地端與所述地端水電極相接；
b、將高壓等離子體放電單元置於高壓真空放電罐內，並對高壓真空放電罐進行抽真空，之後向高壓真空放電罐內充入氬氣，使空氣和氬氣的混合氣體作為放電氣體；
c、打開高壓電源開關，並逐步增大高壓電源輸出，高壓電源輸出的高壓電壓經兩隻高壓二極體被分為正、負半周兩部分分別輸出；在高壓電源輸出的正半周內，在高壓端水電極其中一個單管對應的通孔內產生等離子體光子晶體；在高壓電源輸出的負半周內，在高壓端水電極另一單管對應的通孔內產生等離子體光子晶體；且在高壓電源輸出的正、負半周內，在兩個通孔內產生的等離子體光子晶體結構不同。
步驟c中一般控制高壓電源輸出的放電電壓頻率為50-60khz，放電電壓幅度在3-4kv。
步驟b中，一般控制放電氣體的氣壓為0.2~0.5atm，氬氣體積含量佔混合氣體體積含量的10%~50%。
步驟a中，所述地端水電極可以由一個盛有蒸餾水的單管構成；此時所述地端水電極單管的直徑大於所述高壓端水電極兩個單管直徑之和。所述地端水電極還可以由兩個並置且分離的單管構成，每一單管內均盛有蒸餾水；此時所述地端水電極的兩個單管分別與所述高壓端水電極的兩個單管一一對應。單管的兩端面由透明玻璃或有機玻璃密閉，在單管上開有注水孔。
步驟a中，所述高壓整流單元還包括高壓輸入導電柱、正半周高壓輸出導電柱、負半周高壓輸出導電柱和絕緣盒；所述第一高壓二極體的負極和所述第二高壓二極體的正極均通過所述高壓輸入導電柱與所述高壓電源的高壓端相接，所述第一高壓二極體的正極通過所述負半周高壓輸出導電柱與所述高壓端水電極的一個單管相接，所述第二高壓二極體的負極通過所述正半周高壓輸出導電柱與所述高壓端水電極的另一單管相接；所述高壓輸入導電柱、所述正半周高壓輸出導電柱和所述負半周高壓輸出導電柱均嵌置在所述絕緣盒內。
步驟a中，所述放電間隙絕緣隔板可以由一整塊板或兩塊分離的板製成。
步驟a中，在所述高壓端水電極和所述地端水電極內分別置有銅電極。
步驟a中，所述放電間隙絕緣隔板上通孔的形狀可以為圓形、三角形、正方形、長方形、五邊形、六邊形、七邊形或八邊形等規則的或不規則形狀。所述放電間隙絕緣隔板上兩個通孔之間可以不連通，也可以通過條形孔相連通。放電間隙邊界由玻璃、石英玻璃或塑料材料製作。
本發明依賴於一種新的交流半波等離子體放電裝置，實驗時，利用高壓二極體的單向導通特性，可將高壓電源輸出的高壓電壓分為正半周期（簡稱正半周）和負半周期（簡稱負半周）兩部分分別輸出；再結合由兩個並置且分離的單管構成的高壓端水電極以及具有兩個通孔的放電間隙絕緣隔板，在高壓電源輸出的正半周內，控制在高壓端水電極其中一個單管對應的通孔內產生介質阻擋放電，並形成等離子體光子晶體；在高壓電源輸出的負半周內，控制在高壓端水電極另一單管對應的通孔內產生介質阻擋放電，並形成等離子體光子晶體。由於擊穿電壓、壁電荷積累不同，兩個不同空間在合適的條件下自組織呈現出不同的斑圖，即在兩個空間形成不同的等離子體光子晶體。
本發明不僅創新了放電裝置，而且對於研究壁電荷對放電的影響有重要意義，在工業領域中這種可以控制只在半周期放電的放電形式以及形成的等離子光子晶體也有廣泛的應用前景。本發明中所提供的交流半波等離子體放電裝置結構簡單，原理清晰，易於實現，重複性和可操作性好，為更好地進行機理研究與工業應用創造了條件。
附圖說明
圖1是本發明所用交流半波等離子體放電裝置的結構示意圖。
圖2是本發明中放電間隙絕緣隔板上通孔的結構示意圖；其中，圖2（a）是兩個通孔不連通的結構示意圖，圖2（b）是兩個通孔連通的結構示意圖。
圖3是本發明中高壓整流單元的結構示意圖。
圖4是本發明實施例2所產生的等離子體光子斑圖結構圖；其中，圖4（a）是正半周對應的斑圖結構，圖4（b）是負半周對應的斑圖結構。
圖5是本發明實施例3所產生的等離子體光子斑圖結構圖；其中，圖5（a）是正半周對應的斑圖結構，圖5（b）是負半周對應的斑圖結構。
圖6是本發明實施例4所產生的等離子體光子斑圖結構圖；其中，圖6（a）是正半周對應的斑圖結構，圖6（b）是負半周對應的斑圖結構。
圖中：1、高壓等離子體放電單元，2、高壓整流單元，3、高壓電源，4、地端水電極，5、第一單管高壓端水電極，6、第二單管高壓端水電極，7、第一高壓二極體，8、第二高壓二極體，9、放電間隙絕緣隔板，10、玻璃介質板，11、高壓輸入導電柱，12、負半周高壓輸出導電柱，13、正半周高壓輸出導電柱，14、絕緣盒。
具體實施方式
實施例1，一種交流半波等離子體放電裝置。
如圖1所示，本實施例所介紹的交流半波等離子體放電裝置包括高壓等離子體放電單元1、高壓整流單元2和高壓電源3。高壓等離子體放電單元1和高壓整流單元2之間通過高壓矽膠線連接，本發明中的高壓電源3是高壓交流電源。
高壓等離子體放電單元1包括相對設置的高壓端水電極（圖中右側）和地端水電極4（圖中左側）。高壓端水電極為兩個，分別為第一單管高壓端水電極5和第二單管高壓端水電極6，具體地說，高壓端水電極包括兩個並列設置（可以是上下並列設置，也可以是同一水平面上前後並列設置）且相互分離（或隔離）的單管，每一個單管均是圓柱形的絕緣空腔結構，兩個單管的直徑可以相同（如圖所示），也可以不同；在每一個單管的兩端面設有玻璃介質板，兩個單管同一端面處的玻璃介質板可以為一整塊，也可以是分離的兩塊；兩個單管上均設有注水孔，通過注水孔向兩個單管內注入蒸餾水，就形成了第一單管高壓端水電極5和第二單管高壓端水電極6。兩個高壓端水電極分別用作正半周和負半周等離子體放電。
地端水電極可以為一個（如圖所示），也可以為兩個。圖1中地端水電極4的主體結構是一個圓柱形絕緣空腔，該圓柱形絕緣空腔的直徑大於兩個高壓端水電極的直徑之和，具體是，該圓柱形絕緣空腔的上面外側壁與第一單管高壓端水電極5的上面外側壁齊平，該圓柱形絕緣空腔的下面外側壁與第二單管高壓端水電極6的下面外側壁齊平。在該圓柱形絕緣空腔的兩端面也設置有玻璃介質板10。在該圓柱形絕緣空腔的側壁設有注水孔，通過注水孔向該圓柱形絕緣空腔內注入蒸餾水，進而形成了地端水電極4。當地端水電極為兩個時，地端水電極也可以如高壓端水電極一樣，通過設置兩個並置且分離的單管來形成，此時應保證地端水電極的兩個單管與高壓端水電極的兩個單管一一對應。
在高壓端水電極和地端水電極4內分別設置有銅電極。在高壓端水電極和地端水電極4之間緊密放置有放電間隙絕緣隔板9，即：地端水電極4右端面的玻璃介質板、放電間隙絕緣隔板9以及高壓端水電極（包括並列設置的第一單管高壓端水電極5和第二單管高壓端水電極6）左端面的玻璃介質板三者依序緊貼在一起。放電間隙絕緣隔板9可以為一整塊絕緣隔板，也可以是獨立、分離的兩塊絕緣隔板；若是兩塊絕緣隔板，則每一塊絕緣隔板對應一個高壓端水電極。
在放電間隙絕緣隔板9上制有兩個形狀、大小均相同的通孔，兩個通孔分別對應高壓端水電極的兩個單管，且這兩個通孔構成放電間隙空間。通孔的形狀可以為圓形、三角形、正方形、長方形、五邊形、六邊形、七邊形或八邊形等等規則形狀或不規則形狀。兩個通孔之間可以連通，也可以不連通。如圖2所示，圖2中（a）圖示出了兩個圓形通孔，且這兩個通孔之間不連通，圖2（b）中兩個圓形通孔之間通過細長條形通孔相連通。對於圖2（b）所示情形，可以研究細長條形通孔處的沿面放電情況。放電間隙邊界可以由玻璃、石英玻璃或塑料材料製作。
實驗時，應將高壓等離子體放電單元1置於高壓真空放電罐內；第一單管高壓端水電極5和第二單管高壓端水電極6內的兩個銅電極分別連接高壓真空放電罐的兩個高壓接線柱，地端水電極4內的銅電極連接高壓真空放電罐的接地線柱。將高壓真空放電罐密閉，並抽真空到合理氣壓值；之後向高壓真空放電罐內充入適當的氬氣，以在高壓端水電極和地端水電極4之間的放電間隙內形成空氣和氬氣的混合氣體，該混合氣體即是放電氣體。
結合圖3，高壓整流單元包括第一高壓二極體7、第二高壓二極體8、高壓輸入導電柱11、正半周高壓輸出導電柱13、負半周高壓輸出導電柱12和絕緣盒14。第一高壓二極體7和第二高壓二極體8分別進行交流正半周和負半周整流，並用於等離子體高壓放電。第一高壓二極體7和第二高壓二極體8固定設置在絕緣盒14內部，高壓輸入導電柱11、正半周高壓輸出導電柱13和負半周高壓輸出導電柱12均嵌置在絕緣盒14內。在絕緣盒14內部，第一高壓二極體7的正極連接負半周高壓輸出導電柱12，第一高壓二極體7的負極連接高壓輸入導電柱11；第二高壓二極體8的正極連接高壓輸入導電柱11，第二高壓二極體8的負極連接正半周高壓輸出導電柱13。在絕緣盒14外部，高壓輸入導電柱11連接高壓電源3的高壓端，高壓電源3的地端連接高壓真空放電罐的接地線柱；正半周高壓輸出導電柱13連接第二單管高壓端水電極6內的銅電極，負半周高壓輸出導電柱12連接第一單管高壓端水電極5內的銅電極。
交流半波等離子體放電實驗步驟為：
（1）搭建如圖1所示的交流半波等離子體放電裝置，注意要向高壓端水電極和地端水電極內分別加注蒸餾水，並選擇合適的放電間隙絕緣隔板。
（2）將高壓等離子體放電單元整體放入高壓真空放電罐內（圖略），高壓端水電極內的兩個銅電極分別連接高壓真空放電罐的兩個高壓接線柱，地端水電極內的銅電極連接高壓真空放電罐的接地線柱；高壓電源的高壓輸出端接高壓整流單元的高壓輸入導電柱，正半周高壓輸出導電柱和負半周高壓輸出導電柱分別接高壓真空放電罐的兩個高壓接線柱，高壓電源的接地端接高壓真空放電罐的接地線柱。
（3）將高壓真空放電罐密閉，並抽真空到合理氣壓值；充入適當的氬氣。氬氣和空氣的混合氣體作為放電氣體，一般控制放電氣體的氣壓為0.2~0.5atm，氬氣體積含量佔混合氣體體積含量的10%~50%。
（4）打開高壓電源開關，並逐步增大高壓電源輸出，一般控制放電電壓頻率為50-60khz，放電電壓幅度在3-4kv，通過高壓真空放電罐上的觀察孔觀察介質阻擋放電現象。
正弦高壓電施加在兩個高壓端水電極上，在滿足一定的放電條件時，放電間隙內會產生放電，並且正、負半周時間內形成兩個不同擊穿電壓的放電區；通過改變放電條件包括改變氣隙內氣體的成分、壓力、外加電壓的頻率、幅度以及放電間隙邊界的形狀、縱橫比等，放電將在放電間隙的兩半空間產生周期數不同、晶格常數不等的兩種等離子體光子晶體結構。
通過本發明可以研究正、負電離粒子在不同放電時刻不同放電區域的放電現象，並形成不同的等離子體光子晶體，為進一步研究介質表面壁電荷和等離子體光子晶體提供實驗數據，在工業上有廣泛的應用前景。
下面以具體實施例詳細介紹本發明在不同空間產生不同帶隙結構等離子體光子晶體的過程。
實施例2
按圖1所示搭建交流半波等離子體放電裝置，向高壓端水電極和地端水電極內分別加注蒸餾水，選擇1.5mm厚的放電間隙絕緣隔板，並在放電間隙絕緣隔板上開設兩個大小相同的正八邊形通孔，且兩個正八邊形通孔之間通過細長條通孔相連通，兩個正八邊形通孔分別對應兩個高壓端水電極。將高壓等離子體放電單元整體放入高壓真空放電罐內，高壓端水電極內的兩個銅電極分別連接高壓真空放電罐的兩個高壓接線柱，地端水電極內的銅電極連接高壓真空放電罐的接地線柱；高壓電源的高壓輸出端接高壓整流單元的高壓輸入導電柱，正半周高壓輸出導電柱和負半周高壓輸出導電柱分別接高壓真空放電罐的兩個高壓接線柱，高壓電源的接地端接高壓真空放電罐的接地線柱。
將高壓真空放電罐密閉，並抽真空，之後充入氬氣，使高壓真空放電罐內放電氣體氣壓為0.4atm，放電氣體中氬氣體積含量佔混合氣體體積的40%。逐步增大高壓電源輸出，高壓電源輸出的高壓電壓經兩隻高壓二極體被分為正、負半周兩部分分別輸出，高壓電源的正半周輸出經第二高壓二極體並經正半周高壓輸出導電柱後控制第二單管高壓端水電極對應位置處產生介質阻擋放電，高壓電源的負半周輸出經第一高壓二極體並經負半周高壓輸出導電柱後控制第一單管高壓端水電極對應位置處產生介質阻擋放電。本實施例中當外加正弦電壓頻率為53khz，外加電壓為4kv時，通過高壓真空放電罐上的觀察孔觀察兩個正八邊形通孔內產生的介質阻擋放電現象，所得結果如圖4所示。圖4（a）是正半周高壓輸出導電柱所接高壓端水電極對應放電間隙內產生的等離子體光子斑圖（即高壓電源輸出正半周時所產生的等離子體光子斑圖，簡稱正半周所對應的斑圖），圖4（b）是負半周高壓輸出導電柱所接高壓端水電極對應放電間隙內產生的等離子體光子斑圖（即高壓電源輸出負半周時所產生的等離子體光子斑圖，簡稱負半周對應的斑圖）。雖然理論上正半周對應的斑圖和負半周對應的斑圖不同時出現，但由於放電頻率很高，因此從視覺上看兩者是同時出現的。圖4（a）中斑圖結構，內部為點組成的同心圓環，外部為與邊界趨同的正八邊形結構；圖4（b）為蜂窩狀的斑圖結構。因此，圖4（a）和圖4（b）中放電絲排列結構不同，晶格常數不同，為不同的等離子體光子晶體。
實施例3
與實施例2相比，本實施例中放電間隙絕緣隔板上的兩個通孔為正方形形狀，放電氣體中氬氣體積含量佔混合氣體體積的30%，放電氣體氣壓為0.3atm。逐步增大高壓電源輸出，在外加電壓的正、負半周分別在不同位置放電，產生等離子體通道，與未放電區域周期性的排列自組織形成不同空間不同折射率的晶體結構。當外加正弦電壓頻率為53khz，外加電壓為3kv時，通過高壓真空放電罐上的觀察孔觀察兩個正方形通孔內產生的介質阻擋放電現象，所得結果如圖5所示。圖5（a）是正半周高壓輸出導電柱所接高壓端水電極對應放電間隙內產生的等離子體光子斑圖，圖5（b）是負半周高壓輸出導電柱所接高壓端水電極對應放電間隙內產生的等離子體光子斑圖。圖5（b）是規則的四邊形斑圖結構，圖5（a）顯然不是，因此兩者的結構明顯不同，所以晶格常數不同，為不同的等離子體光子晶體。
實施例4
與實施例2相比，本實施例中放電間隙絕緣隔板厚度為1mm，其上的兩個通孔為長方形形狀，放電氣體中氬氣體積含量佔混合氣體體積的35%，放電氣體氣壓為0.3atm。當外加正弦電壓頻率為51khz，外加電壓為3.5kv時，通過高壓真空放電罐上的觀察孔觀察兩個長方形通孔內產生的介質阻擋放電現象，所得結果如圖6所示。圖6（a）是正半周高壓輸出導電柱所接高壓端水電極對應放電間隙內產生的等離子體光子斑圖，圖6（b）是負半周高壓輸出導電柱所接高壓端水電極對應放電間隙內產生的等離子體光子斑圖。圖6（a）為不規則的六邊形斑圖結構，圖6（b）是蜂窩狀斑圖結構，因此兩者的放電絲排列結構不同，晶格常數不同，為不同的等離子體光子晶體。
本發明實施例1所述的交流半波等離子體放電裝置是一種新的介質阻擋放電裝置，這為產生新形式的放電創造了條件。本發明將正、負半周放電區域分離，控制在外加高壓的正負半周分別在同一間隙中的不同空間放電，減少了不同電荷離子間的耦合作用；放電在不同區域可以形成兩種具有不同帶隙結構的等離子體光子晶體，不僅在工業領域有廣泛的應用前景，對於放電的理論研究即研究壁電荷對放電的影響也有重要的意義。