等離子體射流裝置的製作方法

2023-08-08 00:19:11

專利名稱：等離子體射流裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於等離子體發生裝置，具體涉及一種氣體放電等離子 體射流裝置。
背景技術：
等離子體通常由正離子、中性粒子和電子組成， 一般等離子體可以 分為兩類熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體。熱平衡表示等離子體 中所有粒子的溫度一樣。
在非熱平衡等離子體中，電子的溫度可高達數萬度，而離子和中性
粒子的溫度遠小於電子溫度，這種"熱的冷卻物"優點眾多，非熱平衡 等離子體可作為高活性反應物廣泛應用於多種領域，如等離子體沉積和 鍍膜、刻蝕、表面處理、化學淨化，生物淨化以及醫學應用。
大氣壓下，由於工作氣體擊穿電壓相對較高，通常放電間隙距離非 常有限， 一般為數毫米至數釐米之間，這直接限制了被處理物品的形狀 和大小。假如採用等離子體間接處理，由於其中許多活性成份，如氧原 子和許多帶電粒子壽命非常短暫，以至於還沒到達被處理物表面就消失， 導致處理效率非常低。為了解決上述問題，最近大氣壓非熱平衡等離子 體射流裝置備受關注，其可以直接在外界空間中產生等離子體射流，相 對於狹窄間隙的放電等離子體具有獨特的優勢，並可以直接處理物品， 同時被處理物品的形狀和大小不受任何限制。
以下是幾種現有的非熱平衡等離子體射流裝置 (1)交流非熱平衡等離子體射流裝置
Yong Cheol Hong etal. "Microplasma jet at atmospheric pressure" ApplPhysics Letter 89， 221504 (2006)中，描述了一種大氣壓下以氮氣為工作氣 體產生等離子射流的裝置，如圖1所示，該裝置包括電極3、接地電極ll、 介質圓片13、介質容器12和(交流)電源l，電極3和接地電極11由介質 圓片13隔開，並共同置於介質容器12中，(交流)電源1連接電極3和接地 電極ll;工作時，(交流)電源l調至高壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的 流量速度向介質容器12輸入工作氣體6 (氮氣)，在電極3和接地電極11間 進行放電產生等離子體，並從氣體輸出口16以約255米/秒的速度噴射出 等離子體射流5，等離子體射流5長度6.5釐米，溫度接近室溫。電極3和 接地電極11都與等離子體射流5直接接觸，易發生弧光放電，對於牙齒清 洗、根管治療以及傷口輔助癒合等一些實際應用不安全。
類似的裝置還有Jialing Zhang etal. "A novel cold plasma jet generated by atmospheric dielectric barrier capillary discharge" thin solid films 506(2007)中描述的一種產生低溫等離子體射流的裝置，如圖2所示，該裝 置包括電極3、接地電極ll、介質容器12、氣體調控開關8和(交流)電 源l。電極3為鎢材料電極，位於介質容器12中央並與(交流)電源1連接， 接地電極11緊貼介質容器12外壁，工作氣體6從氣體輸入口7進入，由氣 體調控開關8控制其流量，操作時產生等離子體射流5。該裝置電極3裸露 在外部空間中，並與等離子體射流5直接接觸，對於一些實際應用也不安 全。
(2)射頻非熱平衡等離子體射流裝置 E stoffels etal."Plasma needle for in vivo medical treatment:recent developments and perpectives" Plasma Source Sci. Technol. 15 (2006)中，描
述了一種射頻等離子體針裝置，如圖3所示，該裝置包括電極3、介質容 器12、絕緣介質層17、電源(射頻)1。絕緣介質層17為直徑4毫米的陶 瓷管。電源1為10兆赫茲的射頻電源，與電極3相連。電極3為直徑0.3毫 米的鉤絲，放置於絕緣介質層17中央，頂端不包含於絕緣介質層17內，裸露於外部空間中，並與絕緣介質層17—起由固定架14固定於介質容器 12中央，工作氣體6從氣體輸入口7輸入。操作時能產生相應直徑為2. 5毫 米的等離子體射流5。該裝置的電極3頂端部分暴露於外部空間中，並與 等離子體射流5直接接觸，產生的等離子體射流5長度短、溫度較高，距 離電極3尖端1. 5毫米和2， 5毫米處的等離子體射流5溫度分別為90攝氏度 和50攝氏度。
(3) 微波非熱平衡等離子體射流裝置
由於磁電管微波發生器產生等離子體裝置結構程序複雜，產生的等 離子體射流溫度高，長度短，具體應用範圍相對較窄，不詳細介紹。
(4) 脈衝直流非熱平衡等離子體射流裝置 採用脈衝直流電源進行介質阻擋放電產生等離子體是最近比較熱門
的石開究方向。Xinpei Lu etal. "Dynamics of an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecond voltage pulses"J Appl.Phys 100. 063302(2006) 中，描述了一種等離子體筆裝置，如圖4所示，該裝置包括電極3、接地 電極ll、介質容器12、介質圓片13、介質圓環15、電源l。電極3和接地 電極ll均為相同尺寸的金屬圓環，分別粘貼於兩塊介質圓片13上，之間 隔有介質圓環15，並一起位於介質容器12前端。工作氣體6為氦氣，電源 l為脈衝直流電源。操作時能產生5釐米長的等離子體射流5，等離子體射 流5溫度接近室溫。該裝置不足之處在於一定條件下，比如電壓脈寬高於 10us時電極3和接地電極ll間可能發生電弧放電。
如上所述，現有裝置都各自存在類似的不足。類似的缺陷也同樣存 在於最近的一些等離子體射流產生方法、裝置和系統中，例如美國專利 號為5369336"Plasma Generating Device" Hideomi Koinuma et al，專禾!j號 6,262，523"Large area atmospheric-Pressure Plasma Jet" by Gary S. Selwyn et al，禾卩專禾U號7271363 "Portanle microwave plasma systems including a supply line for gas and microwaves" by Lee et al.這些因素都大大的限制了現有等離子體射流技術及裝置的廣泛應用。 發明內容
本實用新型提供一種等離子體射流裝置，解決現有等離子體射流裝 置存在的電極不安全或電極和接地之間可能發生電弧放電的問題。
本實用新型的一種等離子體射流裝置，包括電源、工作氣體源、電 極、氣體調控開關，氣體調控開關控制工作氣體源的工作氣體從電極的 氣體輸入口進入電極中；其特徵在於
電極通過串聯的電阻和電容與電源連接；
所述電極呈空心管狀， 一端具有氣體輸入口，另一端具有氣體輸出n。
所述的等離子體射流裝置，所述電極可以具有多個氣體輸出口。 所述的等離子體射流裝置，所述電極氣體輸出口的徑向截面形狀為 圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
所述的等離子體射流裝置，所述電極的側面可以具有通氣孔。
所述的等離子體射流裝置，其進一步特徵在於
所述電極套接在呈空心管狀的介質容器上，或者嵌接於呈空心管狀 的介質容器內，介質容器具有氣體輸入、輸出口。
上述的等離子體射流裝置，所述介質容器也可以具有多個氣體輸出IU。
所述的等離子體射流裝置，所述電極的氣體輸出口套接有導電材料 構成的噴嘴；噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的 一種。
所述的等離子體射流裝置，所述噴嘴側面可以具有通氣孔。
本實用新型工作時，電阻和電容主要起控制施加在電極上的電壓以 及放電電流的作用，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，電極氣 體輸出口或噴嘴前端空間場強以及放電電流可以不同，產生的等離子體 射流溫度可接近室溫或高於室溫，產生的等離子體射流長度可變，等離 子體射流的徑向截面可大可小。產生射流溫度接近室溫時，人體可以安 全的與之接觸。而且工作氣體可以是氦氣、氬氣、氮氣、氧氣等單質氣 體或混有其他氣體的混合氣體，也可以是空氣、氣態化合物或氣態有機 物等，有利於增加等離子體射流中活性成份的種類和數量。本實用新型
易製作、易維護、使用方便、成本低、易於攜帶，具有多種實際應用， 比如刻蝕、沉積、表面處理、表面清洗、淨化、食物處理、牙齒清洗以 及根管治療等。根據不同的具體應用，選擇不同的驅動電源和不同的工 作氣體，產生的等離子體射流溫度可以改變，可以低於室溫、接近室溫 或高於室溫。同時採用不同構造的噴嘴，噴射出來的等離子體射流可以 具有多種形狀，同時可以向各個方向擴散，其中含有的活性物質成份的 種類及數量也可以根據具體應用進行選擇，並可以實現常溫常壓下大規 模大面積的具體應用。


圖l為現有一種交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖； 圖2為現有另一種交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖； 圖3為現有射頻等離子體針示意圖； 圖4為現有脈衝直流等離子體筆示意圖；圖5為本實用新型第一個實施例結構示意圖； 圖6為本實用新型第二個實施例結構示意圖； 圖7為本實用新型第三個實施例結構示意圖； 圖8為本實用新型第四個實施例結構示意圖9 (a)、圖9 (b)為各實施例均可採用的電極的徑向截面圖，圖9 (a)電極上有6個氣體輸出口，分兩排平行排列；圖9 (b)電極上有9個 氣體輸出口，分三排平行排列；
圖10 (a)、圖10 (b)分別為各實施例均可採用的電極的徑向截面圖 和側視圖，電極上有10個通氣孔，分兩排平行排列。
圖ll (a)、圖ll (b)為噴嘴的徑向截面示意圖，圖ll (c)為噴嘴
具體實施方式
以下根據附圖對本實用新型進一步說明。
如圖5所示為本實用新型的第一個實施例，包括電源l、工作氣體源2、 電極3、電阻9、電容IO，由不鏽鋼製成的電極3通過電阻9和電容10與電 源l相連；電極3呈空心管狀，其上有氣體輸入口7和氣體輸出口16。通過 氣體調控開關8控制工作氣體源2的工作氣體6從氣體輸入口7進入電極3 中，產生的等離子體射流5從電極3的氣體輸出口16噴出。
調節氣體調控開關8，工作氣體6 (氦氣)從工作氣體源2以0.4升/分 鍾流量通入電極3，電阻9為8千歐，電容10為1皮法；電源l為交流電源， 電壓幅值為5千伏，頻率38千赫茲;由於電極3的氣體輸出口16前端的外 部空間場強高，發生氣體放電，產生等離子體射流5，其溫度接近室溫， 人體的手可以直接接觸。
圖6為本實用新型第二個實施例結構示意圖包括電源l、工作氣體 源2、電極3、電阻9、電容10和介質容器12，由銅製成的電極3通過電阻9和電容10與電源1相連；電極3和介質容器12均呈空心管狀， 電極3套接在聚氯乙烯製成的介質容器12的氣體輸出口；電極3上有噴 嘴4，通過氣體調控開關8控制工作氣體源2的工作氣體6從氣體輸入口 7進入介質容器12中。產生的等離子體射流5從噴嘴4噴出。
調節氣體調控開關8，工作氣體6 (氮氣)從工作氣體源2以2.0升 /分鐘流量逋入介質容器12，電阻9為500歐，電容10為0.5皮法；電 源l為交流射頻電源，電壓幅值為500伏，頻率13.65兆赫茲。
圖7為本實用新型第三個實施例結構示意圖，包括電源l、工作氣體 源2、電極3、電阻9、電容10和介質容器12;由鋁製成的電極3通過 電阻9和電容10與電源1相連；電極3和介質容器12均呈空心管狀， 電極3嵌接於氧化鋁陶瓷製成的介質容器12內；噴嘴4為獨立結構，由 不鏽鋼製成，套接在電極3的氣體輸出口。通過氣體調控開關8控制工 作氣體源2的工作氣體6從氣體輸入口 7進入介質容器12中，產生的等 離子體射流5從噴嘴4噴出。
調節氣體調控開關8，工作氣體6 (氬氣)從工作氣體源2以1.0升 /分鐘流量通入介質容器12，電阻9為6千歐，電容10為3皮法；電源 l為脈衝直流電源，施加脈衝直流電壓幅值為6千伏，頻率4千赫茲，脈 寬200納秒。
上述實施例中，電極3還可以由鎢等導電性材料製成；介質容器12 還可以由塑料、石英玻璃、派克拉斯玻璃等其它絕緣材料製成，形狀以 及尺寸根據具體實際應用確定。
圖5的第一個實施例中，電極3的氣體輸出口 16也可以與具有擬合 接口的噴嘴相套接。圖6的第二個實施例中，噴嘴4也可以為鉤、銅、 鋁或不鏽鋼等導電材料構成的獨立結構，具有與電極3相擬合連接的接 口；
圖8為本實用新型第四個實施例結構示意圖，包括電源l,工作氣體源2，電極3，電阻9，電容10和介質容器12;聚氯乙烯製成的介質容 器12呈空心管狀，其上有9個氣體輸出口，分三排平行排列；9個不鏽 鋼製成的電極3分別套接於介質容器12的各個氣體輸出口；每個電極3 上有噴嘴4，多個電極3相互連通，通過電阻9和電容10與電源1相連； 氣體調控開關8控制工作氣體6從氣體輸入口 7進入介質容器12中，產 生的等離子體射流5從噴嘴4噴出。。
調節氣體調控開關8，工作氣體6 (空氣)從工作氣體源2以1. 0升 /分鐘流量通入電極3，電阻9為20千歐，電容10為30皮法；電源l為 脈衝直流電源，施加脈衝直流電壓幅值為10千伏，頻率10千赫茲，脈 寬200納秒。
其中各電極3也可以分別通過一對電阻9和電容10與電源相連，可 以產生強度和溫度各不相同的等離子體射流5。
圖9為實施例1 4中均可採用的電極的徑向截面圖，圖9 (a)為電 極3上有6個氣體輸出口 16，分兩排平行排列，每個氣體輸出口均可套 接噴嘴4;圖9 (b)為電極3上有9個圓錐狀氣體輸出口 16，分三排平 行排列。
圖10 (a)、圖10 (b)分別為一種空心管狀電極的徑向截面圖和側 視圖，電極3徑向截面為圓形，電極側面有10個通氣孔3.1,分兩排平 行排列。
圖11 (a)、圖11 (b)分別為徑向截面是圓形和跑道形的噴嘴，適 用於產生細棒狀和片狀等離子體射流。
圖11 (c)表示噴嘴4側面有通氣孔4. 1，適用於上述所有的實施例， 通氣孔4. 1的形狀和數量根據實際需要確定，例如，通氣孔4. 1形狀為 圓形，數量為15個。通氣孔4.1可以使產生的等離子體向各個方向擴散， 可以提高具體應用如牙齒根管治療或材料表面清理的處理效果。
以上實施例中，電極3的氣體輸出口或噴嘴的徑向截面形狀可以為
ii圓形，橢圓形，跑道形，矩形，多邊形之中的一種，根據具體實際應用 確定。
電阻9阻值應大於1歐姆，電容10電容值應小於10法。 當電源1為交流電源時，施加交流電壓幅值範圍可以為220伏 60 千伏，頻率50赫茲 13.65兆赫茲；電源l為脈衝直流電源時，施加脈 衝直流電壓幅值範圍可以為220伏 50千伏，頻率50赫茲 100兆赫茲， 脈寬大於或等於1納秒。產生的等離子體射流長度大於0.1毫米，溫度 可接近室溫或高於室溫。
權利要求1.一種等離子體射流裝置，包括電源、工作氣體源、電極、氣體調控開關，氣體調控開關控制工作氣體源的工作氣體從電極的氣體輸入口進入電極中；其特徵在於電極通過串聯的電阻和電容與電源連接；所述電極呈空心管狀，一端具有氣體輸入口，另一端具有氣體輸出口。
2. 如權利要求1所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述電極具有多個氣體輸出口 。
3. 如權利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述電極的側面具有通氣孔。
4. 如權利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特徵在於-所述電極氣體輸出口的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
5. 如權利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述電極套接在呈空心管狀的介質容器上，或者嵌接於呈空心管狀的介質容器內，介質容器具有氣體輸入、輸出口。
6. 如權利要求5所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述介質容器具有多個氣體輸出口 。
7. 如權利要求1或2所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述電極的氣體輸出口套接有導電材料構成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
8. 如權利要求3所述的等離子體射流裝置，其特徵在於-所述電極的氣體輸出口套接有導電材料構成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
9. 如權利要求5所述的等離子體射流裝置，其特徵在於-所述電極的氣體輸出口套接有導電材料構成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
10. 如權利要求6所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述電極的氣體輸出口套接有導電材料構成的噴嘴； 噴嘴的徑向截面形狀為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形中的一種。
11. 如權利要求7所述的等離子體射流裝置，其特徵在於 所述噴嘴側面具有通氣孔。
12. 如權利要求8、 9或10所述的等離子體射流裝置，其特徵在於: 所述噴嘴側面具有通氣孔。
專利摘要等離子體射流裝置，屬於等離子體發生裝置，解決現有等離子體射流裝置存在的電極不安全或電極和接地之間可能發生電弧放電的問題。本實用新型包括電源、工作氣體源、電極，工作氣體源的工作氣體從電極的氣體輸入口進入電極中；電極呈空心管狀，一端具有氣體輸入口，另一端具有氣體輸出口，通過電阻和電容與電源連接。本實用新型易製作、易維護、使用方便、成本低、易於攜帶，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，以及不同的驅動電源和工作氣體，產生的等離子體射流溫度可以不同，等離子體射流溫度接近室溫時，人體可以與之安全的接觸，同時等離子體射流可以具有多種形狀，可以同時向各個方向擴散，並可以實現常溫常壓下大規模大面積的具體應用。
文檔編號H05H1/30GK201303456SQ200820193468
公開日2009年9月2日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者盧新培, 垣 潘, 青 熊, 熊紫蘭, 鮮于斌 申請人:華中科技大學