介質阻擋放電等離子體噴流裝置的製作方法

2023-10-18 02:24:34

專利名稱：介質阻擋放電等離子體噴流裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於等離子體發生裝置，具體涉及一種介質阻擋放電等離子 體噴流裝置。
背景技術：
現有技術中，從總體上說放電等離子體源有兩類 一是低氣壓等離 子體；二是大氣壓等離子體，如電暈放電，介質阻擋放電等。還有其 它分類方法按等離子體的溫度與電子溫度的關係，分為平衡等離子體 和非平衡等離子體；按等離子體溫度高低，分為高、低溫等離子體，並分別具有不同特點和性能，應用也不同。現有等離子體噴流裝置主要分 以下四種(1)交流非平衡等離子體噴流裝置如圖1所示，Yong Cheol Hong etal. "Microplasma jet at atmospheric pressure" Appl Physics 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噴流的裝置，該裝置包括高壓電極3、接 地電極15、介質圓片16、外介質容器14和電源(交流)10，高壓電極3 和接地電極15由介質圓片16隔開，並共同裝於外介質容器14內，電源(交 流)10連接高壓電極3和接地電極15;工作時，電源(交流)IO調至高 壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的流量速度向外介質容器14輸入工作氣 體(氮氣)6，在高壓電極3和接地電極15間進行放電產生等離子體，並 從出氣埠4以約255米/秒的速度噴射出等離子體噴流5，等離子體噴流5長度6.5釐米，宏觀溫度接近室溫。由於高壓電極3和接地電極15都與 等離子體噴流5直接接觸，而且容易發生弧光放電，具體應用時不安全。如圖2所示，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噴流的裝置，該裝置 包括高壓電極3、接地電極15、外介質容器14、氣體調控開關8和電源(交 流)10。高壓電極3為鎢材料電極，位於外介質容器14中央並與電源(交 流)IO連接，接地電極15緊貼外介質容器14外壁，工作氣體6從進氣端 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噴流5。 該裝置不足之處在於高壓電極3裸露在外部空間中，並與等離子體噴流5 直接接觸，具體應用時不安全。(2)射頻非平衡等離子體噴流裝置如圖3所示，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，該裝置包括高壓電極3、 外介質容器14、介質管l、電源(射頻)10。電源10為10兆赫茲的射頻 電源，與高壓電極3相連。高壓電極3為直徑0.3毫米的鎢絲，放置於直 徑4毫米的介質管1中央，頂端不包含於介質管l中，裸露於外部空間中， 並與介質管1一起由底座兼通氣結構17固定於外介質容器14中央，工作 氣體6從進氣埠7輸入。操作時能產生相應直徑為2. 5毫米的等離子體 噴流5。但是，該裝置的高壓電極3頂端部分暴露於外部空間中，並與等 離子體噴流5直接接觸，具體應用時不僅不安全，而且產生的等離子體 噴流5長度短、溫度較高，距離高壓電極3尖端1.5毫米和2.5毫米處的等 離子體噴流5溫度分別為90攝氏度和50攝氏度。(3) 微波非平衡等離子體噴流裝置 由於採用磁電管微波發生器產生等離子體裝置結構程序複雜，產生的等離子體噴流溫度高，長度短，具體應用範圍相對較窄，不詳細介紹。(4) 脈衝直流非平衡等離子體噴流裝置如圖4所示，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研究方向。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，該裝置包括高壓電 極3、接地電極15、外介質容器14、介質圓片16、介質圓環18、電源(脈 衝直流)10。高壓電極3和接地電極15均為相同尺寸的圓環，分別粘貼 於兩塊介質圓片16上，之間隔有介質圓環18，並一起位於外介質容器14 前端。工作氣體6為氦氣，電源10為脈衝直流電源。操作時能產生5釐米 長的等離子體噴流5，等離子體噴流5宏觀溫度接近室溫。實驗證明，當 通入的工作氣體6為氦氣混合0. 75%氧氣的混合氣體，脈衝直流電壓5. 3 千伏，脈衝頻率5千赫茲，脈寬500納秒時，產生的等離子體噴流5中富 含氧原子等活性成份，在殺菌消毒等具體應用中效果明顯，見LaroussiM etal. "Inactivation of Bacteria by the plasma pencil" plasma process.polym. (2006)。高壓電極3與接地電極15之間雖隔有介質，但由於距離很近，間 隙0.3 1釐米，高壓下環孔間容易發生弧光放電，具體應用時不安全。 如上所述，現有裝置都各自存在類似的不足，比如高壓電極放置 不妥，有的直接全部裸露或頂端部分裸露於外部空間中，並與等離子體 噴流直接接觸；高壓電極和接地電極距離較近，空間存在直接相連途徑， 高壓下容易發生弧光放電；放電工作氣體源單一或只能是混有其他氣體 的混合氣體，等離子體噴流中活性成份種類及數量少；產生的等離子體噴流長度短、溫度高，並且難以實現大面積大規模具體應用。這些因素 都大大的限制了現有等離子體噴流技術及裝置的廣泛應用。發明內容本發明提供一種介質阻擋放電等離子體噴流裝置，目的在於產生長 距離、低溫、富含活性成份的等離子體噴流，並且電極位置安全，適用 於多種氣體放電。本發明的一種介質阻擋放電等離子體噴流裝置，包括工作氣體源、 電源、高壓電極、介質管，其特徵在於所述介質管為空心管，並與工 作氣體源連通；所述高壓電極內嵌於介質管的管壁內或者套於介質管的 管壁外，並與電源連接；高壓電極套於介質管管壁外時，與介質管共同 位於保護套管內。所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，所述介質管或保護套管頂 端可以具有噴嘴，噴嘴開口端可以為圓孔、扁平形孔、圓錐形孔、弧形孔、喇叭形孔或多邊形孔。所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，構成所述介質管的空心管 可以為單孔或多孔，所述單孔或多孔中各孔的徑向截面可以為圓形、橢 圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述高壓電極形狀與介質管的孔形狀擬 合，嵌套於各孔外的管壁內。所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，所述保護套管兩端封閉，封閉端可以開有單孔或多孔，所述單孔或多孔中各孔的徑向截面可以為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述介質管截面形狀與保護套 管兩端的孔的形狀擬合。所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，所述電源可以為交流電 源、脈衝直流電源或者射頻電源。本發明高壓電極內嵌於介質管的管壁內或者套於介質管的管壁外， 高壓電極套於介質管管壁外時與介質管共同位於保護套管內，這樣實際 應用時不僅安全而且可以避免發生弧光放電。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，不僅有利於增加等離子體噴流中活性成份 的種類和數量，同時也可以很好的避免發生弧光放電。本發明工作時， 可以用調控開關控制工作氣體進入進氣埠的流量，工作氣體充滿於介 質管中；施加高壓時，通過介質阻擋放電產生等離子體，並分布於介質 容器內部及外部的空間中。產生的等離子體噴流的長度、粗細、溫度和 數量均可調整。本發明易製作、好維護、使用方便、成本低、便攜性好，克服了現 有裝置所存在的局限性，使介質阻擋放電等離子體噴流向空間長距離延 伸、集中或開放，同時噴射出來的等離子體屬於非熱力學平衡的低溫等 離子體。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， 噴射出來的等離子體噴流溫度可以改變，可以低於室溫、接近室溫或高 於室溫。同時噴射出來的等離子體噴流可以具有多種形狀，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。因此可以很方便的在常溫常壓下 對物品或各種異形物品進行刻蝕、鍍膜、表面改性、表面冶金和殺菌消 毒等處理，拓寬了等離子體的應用範圍，提高了其應用效果。


圖l為現有一種交流非平衡等離子體噴流裝置示意圖；圖2為現有另一種交流非平衡等離子體噴流裝置示意圖；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為本發明第一個實施例結構示意圖；圖6為本發明第二個實施例結構示意圖；圖7為本發明第三個實施例結構示意圖；圖8為本發明第四個實施例結構示意圖；圖9為本發明第五個實施例結構示意圖；圖10為本發明第六個實施例結構示意圖；圖ll (a)為一種單孔空心管狀介質管的左視圖；圖ll(b)為一種單孔空心管狀介質管的軸向剖視圖；圖12(a)為一種多孔空心管狀介質管的徑向截面圖；圖12(b)為一種多孔空心管狀介質管的軸向剖視圖；圖13(a)為一種兩封閉端各開有一孔的保護套管的左視圖；圖13(b)為一種兩封閉端各開有一孔的保護套管的軸向剖視圖；圖14(a)為一種兩封閉端各開有9個孔的保護套管的左視圖；圖14(b)為一種兩封閉端各開有9個孔的保護套管的軸向剖視圖；圖15(a)為形狀為圓孔形噴嘴的徑向截面圖；圖15(b)為形狀為圓孔形嘖嘴的軸向剖視圖；圖16(a)為形狀為扁平孔形噴嘴的徑向截面圖；圖16(b)為形狀為扁平孔形噴嘴的軸向剖視圖；圖17(a)為形狀為圓錐孔形噴嘴的徑向截面圖；圖17(b)為形狀為圓錐孔形噴嘴的軸向剖視圖；圖18(a)為形狀為喇叭孔形噴嘴的徑向截面圖； 圖18 (b)為形狀為喇叭孔形噴嘴的軸向剖視圖； 圖19(a)為形狀為圓弧孔形噴嘴的徑向截面圖； 圖19(b)為形狀為圓弧孔形噴嘴的軸向剖視圖。
具體實施方式
以下根據附圖對本發明進行詳細說明。如圖5所示，本發明的第一個實施例，包括介質管l、高壓電極3、 氣體調控開關8、工作氣體源9、電源IO，介質管l為單孔空心管，孔的 徑向截面為圓形，圓環形高壓電極3內嵌於介質管1前端管壁內，通過導 線2與電源10連接，介質管1與工作氣體源9連通，由氣體調控開關8控制 工作氣體6的流量。高壓電極3可以是鎢、銅、鋁或不鏽鋼等導電性材料。工作氣體6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。介質管l可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化鋁陶瓷等，形狀及 尺寸根據實際需要確定。以單質氦氣為例，調節氣體調控開關8，以2升/分鐘的流量向進氣 埠7通入工作氣體6，圖中箭頭所示為其流動方向。高壓電極3通過導線2接至電源10，選擇交流電源為裝置驅動電源。調節電源施加電壓幅值至5千伏，頻率38千赫茲。通過介質阻擋放電產生等離子體噴流5，距 離出氣埠4，外部空間延伸的等離子體噴流5最長可達110毫米，並且溫度接近室溫，人體的手可以直接接觸。輸入氣體流量可為O. 1 100升每分鐘，工作氣體6的流速大小及輸 入均勻性對等離子體噴流5的形狀有一定的影響。施加交流電壓幅值220 伏 60千伏，頻率50赫茲 13. 6兆赫茲；或者施加脈衝直流電壓幅值220 伏 50千伏，頻率大於或等於50赫茲 100兆赫茲，脈寬大於或等於l納 秒。產生的等離子體噴流長度可為O. 1 110毫米。圖6為本發明第二個實施例結構示意圖；和圖5的第一個實施例區別 在於介質管1前端具有噴嘴12，噴嘴12為獨立結構，其它標記與圖5所示 相同。圖7為本發明第三個實施例結構示意圖；和圖5的第一個實施例區別 在於高壓電極3套於介質管1外壁，並與介質管l共同位於保護套管ll中， 保護套管ll兩端封閉，封閉端開有單孔，孔的形狀與介質管l的截面形 狀擬合。圖7中其它標記與圖5所示相同。保護套管ll可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化鋁陶瓷等，形狀 及尺寸根據實際應用確定。圖8為本發明第四個實施例結構示意圖；和圖7的實施例區別在於保 護套管11前端具有噴嘴12，噴嘴12為獨立結構，其它標記與圖7所示相 同。圖9為本發明第五個實施例結構示意圖；介質管l為多孔空心管，各 高壓電極3形狀與介質管的孔形狀擬合，嵌套於各孔外的管壁內。各高 壓電極3通過導線2、控制開關13與電源10相連，通過控制開關13控制各高壓電極3的通斷來控制等離子體噴流5的數量。介質管l各孔埠處具有噴嘴12，噴嘴12為獨立結構。圖9中其它標記與圖5所示相同。 內介質管l孔的數量可根據具體應用選擇，本實施例中為9個。圖10為本發明第六個實施例結構示意圖；和圖7的實施例區別在於保護套管11封閉端開有9個孔，9根介質管1截面形狀與保護套管11兩端 的孔的形狀擬合；各高壓電極3套於各介質管1壁外，並與各介質管l共 同位於保護套管ll中。各高壓電極3通過導線2、控制開關13與電源10相 連，並通過控制開關13控制各高壓電極3的通斷來控制等離子體噴流5的 數量。圖10中其他標記與圖7所示相同。圖ll(a)、圖ll(b)所示為一種單孔空心管狀介質管，介質管l呈圓 形針管狀。圖12(a)、圖12(b)所示為一種多孔空心管狀介質管，介質管l呈圓 柱狀，開有9個通孔，各孔徑向截面為圓形。圖13(a)、圖13(b)所示為一種兩封閉端開有單孔的保護套管，保護 套管ll呈空心圓柱狀，孔的徑向截面為圓形。圖14(a)、圖14 (b)所示為一種兩封閉端各開有9個孔的保護套管， 保護套管ll呈空心四稜柱狀，孔的徑向截面為圓形。圖15 圖19所示噴嘴為獨立連接式，並均具有與介質管l開口端或保護套管l 1的接口配套、可靠而方便地連接在一起或卸下的接口 。 如圖15(a)、圖15(b)所示，噴嘴5的形狀為圓孔形； 如圖16(a)、圖16(b)所示，噴嘴5的形狀為跑道形； 如圖17(a)、圖17(b)所示，噴嘴5的形狀為圓錐孔形； 如圖18(a)、圖18(b)所示，噴嘴5的形狀為喇叭孔形； 如圖19(a)、圖19(b)所示，噴嘴5的形狀為圓弧形。
權利要求
1.一種介質阻擋放電等離子體噴流裝置，包括工作氣體源、電源、高壓電極、介質管，其特徵在於所述介質管為空心管，並與工作氣體源連通；所述高壓電極內嵌於介質管的管壁內或者套於介質管的管壁外，並與電源連接；高壓電極套於介質管管壁外時，與介質管共同位於保護套管內。
2. 如權利要求l所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特徵在 於所述介質管或保護套管頂端具有噴嘴，噴嘴開口端為圓孔、扁平形 孑L、圓錐形孔、弧形孔、喇叭形孔或多邊形孔。
3. 如權利要求1或2所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特 徵在於構成所述介質管的空心管為單孔或多孔，所述單孔或多孔中各 孔的徑向截面為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述高壓電極'形狀與介質管的孔形狀擬合，嵌套於各孔外的管壁內。
4. 如權利要求1或2所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特 徵在於所述保護套管兩端封閉，封閉端開有單孔或多孔，所述單孔或 多孔中各孔的徑向截面為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述 介質管截面形狀與保護套管兩端的孔的形狀擬合。
5. 如權利要求3所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特徵在 於所述保護套管兩端封閉，封閉端開有單孔或多孔，所述單孔或多孔中各孔的徑向截面為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述介質 管截面形狀與保護套管兩端的孔的形狀擬合。
6. 如權利要求3所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特徵在於所述電源為交流電源、脈衝直流電源或者射頻電源。
7. 如權利要求4所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特徵在於所述電源為交流電源、脈衝直流電源或者射頻電源。
8. 如權利要求5所述的介質阻擋放電等離子體噴流裝置，其特徵在於所述電源為交流電源、脈衝直流電源或者射頻電源。
全文摘要
介質阻擋放電等離子體噴流裝置，屬於等離子體發生裝置，目的在於產生長距離、低溫、富含活性成份的等離子體噴流，並且電極位置安全，適用於多種氣體放電。本發明包括工作氣體源、電源、高壓電極、介質管，介質管為空心管，並與工作氣體源連通；高壓電極內嵌於介質管的管壁內或者套於介質管的管壁外，並與電源連接；高壓電極套於介質管管壁外時，與介質管共同位於保護套管內。本發明易製作、好維護、使用安全方便，工作氣體範圍廣，等離子體噴流溫度、長度、粗細及數量均可根據實際應用進行調整，進一步拓展了等離子體技術的應用範圍，提高了其應用效果。
文檔編號H05H1/26GK101232770SQ20081004679
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者盧新培, 垣 潘 申請人:華中科技大學