管‑環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置的製作方法

2023-06-02 01:30:26 1

本發明專利涉及一種介質阻擋放電裝置，更加具體的說是管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置。

背景技術：

在大氣介質阻擋放電中，有一種為體介質阻擋放電，另一種情況為沿面介質阻擋放電；同時所述的體介質阻擋放電的氣體擊穿電壓比沿面介質阻擋放電的高；同時所述的體介質阻擋放電在相同能量下產生的活性粒子種類和數量比沿面介質阻擋放電的少，也就是說前者沒有放電均勻；沿面介質阻擋放電根據電極結構又可分為「共面型」沿面介質阻擋放電電極結構和「非共面型」沿面介質阻擋放電電極結構；現存的介質阻擋放電射流裝置電極等離子體射流源的高壓電極在接地電極的內部，因此是以徑向電場為主的等離子體射流源；j．l．walsh等人比較了徑向電場和軸向電場的大氣壓介質阻擋放電等離子體射流源的特性，發現軸向電場等離子體射流源能夠使電子更容易遷移到射流的下遊端，因此在下遊端產生的活性粒子濃度更高，電子激發溫度也更大。

技術實現要素：

本發明專利克服了現有技術條件不足，提供一種管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置，本發明專利解決的技術方案是：本發明專利所述裝置的高壓電極為內徑7mm、外經7.9mm、長125mm的不鏽鋼管，在它的外層緊密覆蓋一內徑9mm、外經15mm、長103mm的石英玻璃管。石英玻璃管的下端為圓錐體形狀，並且有一個孔徑為1.5mm的氣體出口。在石英玻璃管的外壁距氣體出口15mm處緊密纏繞著長20mm、厚0.5mm的銅箔，並作為環狀接地電極。接地電極的上端與管狀高壓電極的底部放電端在同一高度上。在氣體出口下方10mm處放置一個厚0.8mm的石英玻璃板。

高純氬氣從上方氣體入口進入，並利用質量流量計控制其流量為2ipm。電源採用幅值0.25kv，頻率為9khz的交流電源。電源輸出電壓利用高壓探頭測量得到，輸出電流通過測量與接地電極串聯的100歐姆電阻上的的電壓得到，所述裝置的李薩如圖形通過與接地電極串聯120nf電容得到，並記錄在裝置所使用的示波器上；所述特徵發射光譜由光譜儀的光柵採集得到，並且光纖探頭固定在石英玻璃板下方2.8mm處；放電照片與射流長度是由尼康數位相機拍照得到。

本發明專利的有益效果：所述裝置可以降低等離子體射流源工作的峰值電壓，使等離子體射流源能夠在峰值電壓1.98kv下，將氣體擊穿，同時可以提高活性氧原子密度。

附圖說明

圖1是本發明專利的系統結構示意圖。

圖2是本發明專利有效功率隨峰值電壓變化圖。

圖3是本發明專利不同電壓等離子體射流長度隨濃度變化圖。

圖4是本發明專利等離子體射流長度隨峰值電壓變化的照片圖。

圖5是本發明專利電壓相同射流強度與波長範圍關係圖。

圖6是本發明專利電子激發溫度隨峰值電壓變化圖。

圖7是本發明專利轉動溫度隨峰值電壓變化圖。

圖8是本發明專利振動溫度隨峰值電壓變化圖。

具體實施方式

下面應用具體實例對本發明專利進行一般說明。

實施例：所述高濃度氣體，從進氣孔進入，接通相關交流電源，設置好參數，在示波器、測譜儀中觀察數據變化；本發明專利主要以高純度氣體為實驗氣體，圖2給出了利用李莎茹圖形計算得到的有效功率隨峰值電壓的變化。從該圖中可以看，當峰值電壓從5.0kv增大到7.09kv時，有效功率從3.0w增大到了5.5w，明顯小於電極等離子體射流消耗的有效功率，這意味著管-環式電極等離子體射流裝置相對更節能。

圖3和4分別給出了不同電壓下，等離子體射流長度隨高純度氣體流量的變化和峰值電壓為6.05kv時,等離子體射流長度隨高純度氣體流量變化的照片。從圖3和4中可以看出，等離子體射流長度隨氣體流量的增大,分別經歷了層流模式、過度模式以及湍流模式。在層流模式,等離子體射流長度迅速地增大到最大值；在過度模式，等離子體射流長度迅速地減小；而在湍流模式，等離子體射流長度基本保持不變。另外，所述裝置中等離子體射流長度隨峰值電壓的增大而增大，但是當峰值電壓增大到6.05kv時，等離子體射流長度基本保持不變。

所述裝置在峰值電壓為5.0kv時，波長為範圍內測量得到的管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置等離子體射流的發射光譜。從圖5中可以看出，等離子體射流中存在激發態的、、、等粒子。利用波爾茲曼分布斜率法，選擇躍遷產生的和躍遷產生的706.7nm、714.7nm、738.4nm、751.5nm、794.8nm、800.6nm等7條激發態氬原子譜線，並結合數據分析給出相應的選擇譜線的光譜參數，得到了等離子體射流的電子激發溫度，如圖6所示。從該圖中可以看出，電子激發溫度隨峰值電壓的增大,幾乎是線性地增大。當峰值電壓從5.0kv增大到7.09kv時，電子激發溫度從3188k增大到了3295k，明顯大於螺環-環式電極等離子體射流裝置的電子激發溫度，這意味著管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置的電子能量更大。這主要是因為,螺環-環式電極等離子體射流裝置的高壓電極在接地電極的內部,因此以徑向電場為主，而管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置的管狀高壓在接地電極的上方，因此與前者相比它的軸向電場更大,從而使電子通過加速運動獲得的能量更大。

大氣壓冷等離子體射流的氣體溫度，除了利用前面已經提到的氮分子的轉動溫度確定以外，也可以利用羥基的轉動溫度確定。為了準確地確定出羥基和氮分子的轉動溫度，利用光譜分析軟體lifbase模擬從躍遷產生的分子譜帶和利用軟體specair模擬從躍遷產生的分子譜帶，並與實驗測量得到的譜帶進行了比較，從而確定出羥基和氮分子的轉動溫度。

所述圖7和圖8中可以發現，從躍遷產生分子譜帶的轉動溫度和振動溫度，隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大。當峰值電壓從5.0kv增大到7.09kv時，轉動溫度從342k增大到了387k，而振動溫度從1260k增大到了1295k，並且遠大於轉動溫度，這意味著管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置處於非熱平衡狀態。

所述管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置中氮分子轉動溫度略小於螺環-環式電極等離子體射流裝置的氮分子轉動溫度，這可能是由兩個原因造成的：一個是氬氣的流動可以有效地地降低氣體溫度；另一個是這兩個射流裝置的傳導電流和有效功率只有幾ma和幾w，儘管它們的差值比較明顯，但是相對比較小，因此兩者的氣體溫度比較接近。此外，所述管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置的電子能量比螺環-環式電極等離子體射流的電子能量大，因此通過電子-分子碰撞激發，使管-環式電極等離子體射流的氮分子振動溫度進一步得到了提高。

利用示蹤元素光譜法，測量了所述管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置富含的氧原子密度和氮分子密度，等離子體射流中的氧原子密度和氮分子密度隨峰值電壓的增大而增大，這意味著氧原子密度和氮分子密度隨電子激發溫度的增大而增大。當峰值電壓從5.0kv增大到7.09kv時，等離子體射流中的氧原子密度從增大到了，而氮分子密度從增大到了。此外，所述管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置的氧原子密度明顯大於其他電極等離子體射流裝置的氧原子密度，而它的氮分子密度卻比後者小。這是因為，管-環式電極等離子體射流中處於高能級的電子數比其他電極等離子體射流裝置多，並且這些處於高能級的電子與氧分子發生反應，產生氧原子，所以所述管-環式電極大氣壓沿面介質阻擋放電射流源裝置的氧原子密度比其他電極等離子體射流裝置的氧原子密度大。

本發明專利未詳述之處，均為本技術領域技術人員的公知技術。