多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置及方法

2023-08-12 22:22:06

專利名稱：多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置及方法
技術領域：
本發明屬於等離子體科技領域，涉及一種多級電離產生低能量高密度等離子體的 方法及裝置。
背景技術：
大氣壓非平衡態等離子體射流在燃燒、表面電磁特性改變、材料表面處理等工程 技術領域具有重要應用意義，綜合國內外目前研究報導的大氣壓非平衡態等離子體射流的 一些不足之處，其中大氣壓射流等離子體形成面積和體積較小的劣勢尤為明顯(一般集中 在毫米量級)，制約了該技術的廣泛應用，實際應用往往需要大面積的等離子體，所以如何 擴大等離子體處理面積也是大氣壓等離子體射流技術亟待解決的一個問題。研究人員為得 到大面積的大氣壓非平衡態等離子射流，已經使用了陣列化的等離子射流，但這只是從增 加等離子體射流的數量上來獲得更大面積的等離子體，並且僅僅通過增加陣列數量也遇到 了種種難題。採用多級電離的方式，可以擴大等離子體的射流面積，並且，等離子體的電子 密度也得到大幅度提升。

發明內容
技術問題為得到低能量高密度且大面積的等離子，本發明提出了一種多級電離 的方法及裝置。每級輸入能量均較低，單純一級的電離作用不能得到均勻、大面積而又有較 高電子密度的等離子體，本發明通過多級電離的方式實現了等離子體射流的均勻、高密度、 大面積化。技術方案本發明的多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置有三級電離工作 區域第一級由針尖電極與金屬棒電極通過第一高壓高頻電源形成放電迴路；第二級由筒 狀金屬電極與金屬棒電極通過第二高壓高頻電源形成放電迴路，第三級由金屬絲網電極與 金屬棒電極通過第三高壓高頻電源組成放電迴路；每級
電極均固定在絕緣裝置形成的管道上，金屬棒電極設在絕緣管道中，並且與絕緣管道 同軸線設置，在金屬棒電極與絕緣管道之間形成可以流動氣體的環形空間。第一級電離區域為多個針尖電極分別通過電源與金屬棒電極形成放電迴路，此級 針尖電極至少為一個，第一高壓高頻電源峰值電壓不低於6kV，頻率不低於20kHz。第二級電離部分的筒狀金屬電極其內徑為25 30mm，金屬棒電極直徑為15 20mm，其中筒狀電極內壁噴塗有一層高介電係數的高分子材料，這種材料對筒狀電極內的 電場起穩定和增強的作用，進而形成介質阻擋放電，第二高壓高頻電源峰值電壓不低於 10kV，頻率不低於20kHz。第三高壓高頻電源峰值電壓不低於10kV，頻率不低於20kHz。金屬棒電極的前端為光滑的半球狀，金屬絲網電極要有儘量大的展開面積。各針尖電極之間互相絕緣，針尖電極、筒狀金屬電極，網狀電極之間互相絕緣。本發明的多級電離裝置產生低能量高密度等離子體方法為將所述裝置通入5 50m3/h氣體，氣體在第一級50 100W電源功率作用下初步電離，初步電離出的等離子體經 第二級50 150W電源功率的電離產生較大密度且較均勻的等離子體，第一、二級電離出的 等離子體經第三級50 150W電源功率的電離與此級對氣流的擾動，最終，在低功率輸入作 用下噴出電子能量不超過lev、電子密度量級高達1022/m3、截面直徑為15 20mm的均勻非 平衡態等離子體射流。氣體通過裝置第一級的初步電離，產生出電子密度不均的等離子體，此部分等離 子體為第二級的氣體電離提供初始電子；在氣流的帶動下，第一級電離出的等離子體到達 第二級，通過第二級的再次電離，產生了較均勻並且有較大密度的等離子體，此部分等離子 體為第三級的氣體電離提供初始電子；在氣流的帶動下，第一、二級電離出的等離子體到達 第三級，通過第三級的再次電離與此級對氣流的擾動，得到均勻、大面積而又有較高電子密 度的等離子體。有益效果
一、等離子體射流面積得到大幅度提升，射流截面直徑達到20mm，擴大了實際工程和工 業使用範圍和場合；
二、消耗電能少，有效節約能量，所產生的非平衡態等離子體能量低，整體宏觀溫度與 室溫幾乎相當，電子溫度不超過lev，這不僅避免大功率設備的使用，
同時滿足實際工業應用中對低溫的非平衡態等離子體的需要；
三、得到均勻且高電子密度的等離子體，電子密度量級高達1022/m3，電子密度高，活性 物種含量多，提高了工業和工程過程的效率和質量。


圖1為本發明裝置總體結構圖，包括各級放電極的位置分布與結構； 圖2為放電一級的截面結構圖3為放電二級的截面結構圖。以上的圖中有開關1、第一高壓高頻電源2、進氣口 3、第二高壓高頻電源4、第三 高壓高頻電源5、針尖電極6、金屬棒電極7、筒狀金屬電極8、金屬絲網電極9、絕緣管道10。
具體實施例方式下面結合圖1、圖2、圖3，對本發明作詳細說明
如圖1所示，在本裝置中通入流量穩定的氣體，氣體依次通過裝置的各放電級，其中第 二級針尖電極以六個為例加以說明。首先，裝置通入流量為5 50m3/h的氣體並接通第一級高頻高壓交變電源開關1， 氣體通過如圖2所示環形通道，六針尖電極6與金屬棒電極7分別在六個第一高頻高壓電 源2的作用下形成放電迴路(此級電源峰值電壓不低於6kV，頻率不低於20kHz)，使通過第 一級放電極的氣體在高頻高壓電源50 100W功率作用下得到初步電離，產生出密度不均 的等離子體，此部分等離子體為第二級的電離提供初始電子；然後，接通第二級高頻高壓交 變電源開關，如圖3所示，內徑為25 30mm的筒狀金屬電極8與直徑為15 20mm的金屬 棒電極7在第二高頻高壓電源4作用下形成放電迴路(此級的電源峰值電壓不低於10kV，頻 率不低於20kHz)，第一級電離出的等離子體在第二級50 150W功率作用下得到第二次電離，電離出較均勻並且有較大密度的等離子體，此部分等離子體為第三級的電離提供初始 電子，其中，此處筒狀電極內壁噴塗有一層高介電係數的高分子材料，這種材料對筒狀電極 內的電場起到穩定和增強的作用，進而形成介質阻擋放電；第三步，接通第三級高頻高壓交 變電源開關，金屬絲網狀電極9與金屬棒電極7在第三高頻高壓電源5作用下形成放電回 路(此級的電源峰值電壓不低
於10kV，頻率不低於20kHz )，經第一、二級電離出的等離子體在第三級50 150W功率 的作用下得到第三次電離，並由於第三級金屬棒頭對氣流的擾動作用，最終，在低功率輸入 作用下噴出電子能量不超過lev、電子密度量級高達1022/m3、截面直徑為15 20mm的均勻 非平衡態等離子體射流。
權利要求
1.一種多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置，其特徵在於該裝置有三級電離工 作區域第一級由針尖電極(6)與金屬棒電極(7)通過第一高壓高頻電源( 形成放電回 路；第二級由筒狀金屬電極(8)與金屬棒電極(7)通過第二高壓高頻電源(4)形成放電回 路，第三級由金屬絲網電極(9)與金屬棒電極(7)通過第三高壓高頻電源( 形成放電回 路；每級電極均固定在絕緣管道(10)形成的管道上，金屬棒電極(7)設在絕緣管道(10) 中，並且與絕緣管道(10)同軸線設置，在金屬棒電極(7)與絕緣管道(10)之間形成可以流 動氣體的環形空間。
2.根據權利1所述的多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置，其特徵在於，第一 級電離區域為多個針尖電極分別通過電源與金屬棒電極形成放電迴路，此級針尖電極至少 為一個，第一高壓高頻電源O)峰值電壓不低於6kV，頻率不低於20kHz。
3.根據權利1所述的多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置，其特徵在於，第二 級電離部分的筒狀金屬電極⑶其內徑為25 30mm，金屬棒電極(7)直徑為15 20mm， 其中筒狀電極內壁噴塗有一層高介電係數的高分子材料，這種材料對筒狀電極內的電場起 穩定和增強的作用，進而形成介質阻擋放電，第二高壓高頻電源(4)峰值電壓不低於10kV， 頻率不低於20kHz。
4.根據權利1所述的多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置，其特徵在於，第三 高壓高頻電源(5)峰值電壓不低於10kV，頻率不低於20kHz。
5.根據權利1所述的多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置，其特徵在於，金屬 棒電極(7)的前端為光滑的半球狀，金屬絲網電極(9)要有儘量大的展開面積。
6.根據權利1所述的多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置，其特徵在於，各針 尖電極之間互相絕緣，針尖電極、筒狀金屬電極、網狀電極之間互相絕緣。
7.一種用於權利要求書1所述的多級電離裝置產生低能量高密度等離子體方法，其特 徵在於將所述裝置通入5 50m3/h氣體，氣體在第一高壓高頻電源(幻50 100W功率作 用下初步電離，初步電離出的等離子體通過第二高壓高頻電源50 150W電源功率的電離 產生較均勻且有較大密度的等離子體，第一、二高壓高頻電源電離出的等離子體通過第三 高壓高頻電源50 150W電源功率的電離與此級對氣流的擾動。最終，在低功率輸入的作 用下噴出電子密度量級高達1022/m3截面直徑為15 20mm的均勻非平衡態等離子體射流。
全文摘要
本發明提出了一種多級電離產生低能量高密度等離子體裝置及方法。裝置分三級第一級由針尖電極與金屬棒電極組成，第二級由筒狀金屬電極與金屬棒電極組成，第三級由金屬網電極與金屬棒電極組成。多級電離產生低能量高密度等離子體方法通入5～50m3/h氣體，氣體在第一級50～100W電源功率作用下初步電離，初步電離出的等離子體經第二級50～150W電源功率的電離產生較大密度且較均勻的等離子體，第一、二級電離出的等離子體經第三級50～150W電源功率的電離與此級對氣流的擾動，最終，在低功率輸入作用下噴出電子能量不超過1ev、電子密度量級高達1022/m3、截面直徑為15～20mm的均勻非平衡態等離子體射流。
文檔編號H05H1/30GK102149247SQ20111008755
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者張基棟, 李森, 顧璠 申請人:東南大學