CN101227790B - 等离子体喷流装置 - Google Patents
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Abstract
等离子体喷流装置，属于等离子体发生装置，目的在于产生长距离、低温、富含活性成份的等离子体喷流，并且电极位置安全，适用于多种气体放电。本发明高压电极置于内介质管内、并共同位于外介质容器内，电源连接高压电极，外介质容器与工作气体源连通，内介质管呈单端封口空心管状，内介质管封口端内具有与高压电极一端连通的导电材料，内介质管内高压电极另一端具有绝缘堵头，高压电极由绝缘堵头和导电材料固定。本发明易制作、好维护、使用安全方便，工作气体范围广，等离子体喷流温度、长度、粗细可变化，进一步拓展了等离子体技术的应用范围，提高了其应用效果。
Description
技术领域
本发明属于等离子体发生装置，具体涉及一种气体放电等离子体喷流装置。
背景技术
现有技术中，从总体上说放电等离子体源有两类：一是低气压等离子体；二是大气压等离子体，如电晕放电，介质阻挡放电等。还可以按等离子体的温度与电子温度的关系，分为平衡等离子体和非平衡等离子体；按等离子体温度高低，分为高、低温等离子体，并分别具有不同特点和性能，应用也不同。现有等离子体喷流装置主要分以下四种：
(1)交流非平衡等离子体喷流装置
如图1所示，Yong Cheol Hong etal.“Microplasma jet at atmospheric pressure”Appl Physics Letter 89，221504(2006)中，描述了一种大气压下以氮气为工作气体产生等离子喷流的装置，该装置包括高压电极9、接地电极4、介质圆片16、外介质容器2和电源(交流)15，高压电极9和接地电极4由介质圆片16隔开，并共同装于外介质容器2内，电源(交流)15连接高压电极9和接地电极4。工作时，电源(交流)15调至高压，频率20千赫兹，以3升/秒的流量速度向外介质容器2输入工作气体(氮气)11，在高压电极9和接地电极4间进行放电产生等离子体，并从出气孔17以约255米/秒的速度喷射出等离子体喷流6，等离子体喷流6长度6.5厘米，宏观温度接近室温。由于高压电极9和接地电极4都与等离子体喷流6直接接触，而且容易发生弧光放电，具体应用时不安全。
如图2所示，类似的装置还有Jialing Zhang etal.“A novel cold plasma jet generated by atmospheric dielectric barrier capillary discharge”thin solid films 506(2007))中描述的一种产生低温等离子体喷流的装置，该装置包括高压电极9、接地电极4、外介质容器2、气体调控开关13和电源(交流)15。高压电极9为钨材料电极，位于外介质容器2中央并与电源(交流)15连接，接地电极4紧贴外介质容器2外壁，工作气体11从输入口12进入，由气体调控开关13控制其流量，操作时产生等离子体喷流6。该装置不足之处在于高压电极9裸露在外部空间中，并与等离子体喷流6直接接触，具体应用时不安全。
(2)射频非平衡等离子体喷流装置
如图3所示，E stoffels etal.“Plasma needle for in vivo medical treatment：recent developments and perpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006)中，描述了一种射频等离子体针装置，该装置包括高压电极9、外介质容器2、内介质管1、电源(射频)15。电源15为10兆赫兹的射频电源，与高压电极9相连。高压电极9为直径0.3毫米的钨丝，放置于直径4毫米的内介质管1中央，顶端不包含于内介质管1中，裸露于外部空间中，并与内介质管1一起由底座兼通气结构18固定于外介质容器2中央，工作气体11从输入口12进入。操作时能产生直径为2.5毫米的等离子体喷流6。但是，该装置的高压电极9顶端部分暴露于外部空间中，并与等离子体喷流6直接接触，具体应用时不仅不安全，而且产生的等离子体喷流6长度短、温度较高，距离高压电极9尖端1.5毫米和2.5毫米处的等离子体喷流6温度分别为90摄氏度和50摄氏度。
(3)微波非平衡等离子体喷流装置
由于采用磁电管微波发生器产生等离子体装置结构程序复杂，产生的等离子体喷流温度高，长度短，具体应用范围相对较窄，不详细介绍。
(4)脉冲直流非平衡等离子体喷流装置
如图4所示，采用脉冲直流电源进行介质阻挡放电产生等离子体是最近比较热门的研究方向。Xinpei Lu etal.“Dynamics of an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecond voltage pulses”J Appl.Phys100.063302(2006)中，描述了一种等离子体笔装置，该装置包括高压电极9、接地电极4、外介质容器2、介质圆片16、介质圆环19、电源(脉冲直流)15。高压电极9和接地电极4均为相同尺寸的圆环，分别粘贴于两块介质圆片16上，之间隔有介质圆环19，并一起位于外介质容器2前端。工作气体11为氦气，电源15为脉冲直流电源。操作时能产生5厘米长的等离子体喷流6，等离子体喷流6宏观温度接近室温。实验证明，当通入的工作气体11为氦气混合0.75％氧气的混合气体，脉冲直流电压5.3千伏，脉冲频率5千赫兹，脉宽500纳秒时，产生的等离子体喷流6中富含氧原子等活性成份，在杀菌消毒等具体应用中效果明显，见Laroussi M etal.“Inactivation of Bacteria by the plasma pencil”plasma process.polym.2006。高压电极9与接地电极4之间虽隔有介质，但由于距离很近，间隙0.3～1厘米，高压下环孔间容易发生弧光放电，具体应用时不安全。
如上所述，现有装置都各自存在类似的不足，比如：高压电极放置不妥，有的直接全部裸露或顶端部分裸露于外部空间中，并与等离子体喷流直接接触；高压电极和接地电极距离较近，空间存在直接相连途径，高压下容易发生弧光放电；放电工作气体源单一或只能是混有其他气体的混合气体，等离子体喷流中活性成份种类及数量少；产生的等离子体喷流长度短、温度高，并且难以实现大面积大规模具体应用。这些因素都大大的限制了现有等离子体喷流技术及装置的广泛应用。
发明内容
本发明提供一种等离子体喷流装置，目的在于产生长距离、低温、富含活性成份的等离子体喷流，并且电极位置安全，适用于多种气体放电。
本发明的一种等离子体喷流装置，包括工作气体源、电源、高压电极、内介质管、外介质容器，所述高压电极置于所述内介质管内、并共同位于所述外介质容器内，所述外介质容器顶端开放，外介质容器长度大于所述内介质管长度，所述电源连接高压电极，所述外介质容器与工作气体源连通，所述内介质管内高压电极一端具有绝缘堵头，其特征在于：所述内介质管呈单端封口空心管状，内介质管封口端内具有与高压电极另一端连通的导电材料，所述内介质管封口端悬空位于所述外介质容器开放端一侧，所述高压电极由绝缘堵头和导电材料固定；
所述内介质管和外介质容器由石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷制成。
所述的等离子体喷流装置，其特征在于：所述外介质容器顶端具有喷嘴，外介质容器前端外或者喷嘴上套有接地电极；所述高压电极为单个或多个棒状或片状导体。
所述的等离子体喷流装置，所述喷嘴开口端可以为圆孔、扁平形孔、圆锥形孔、弧形孔、喇叭形孔或多边形孔。
所述的等离子体喷流装置，构成所述内介质管的单端封口空心管为单孔或多孔；所述单孔或多孔中各孔的封口端径向截面可以为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形；导电材料形状与内介质管封口端的孔的形状拟合。
所述的等离子体喷流装置，所述电源可以为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。
本发明工作时，可以用气体调控开关控制工作气体进入外介质容器的流量，工作气体充满于内介质管与外介质容器之间的空间；利用内介质管顶端局部场强高效应，对流量可调整的工作气体进行介质阻挡放电，产生的等离子体分布于内介质管与外介质容器相对应的空间以及外介质容器前端的外部空间中，等离子体喷流的长度、粗细、温度和数量均可调整。装有接地电极时，可通过调整它与高压电极之间的相对位置，进一步调整等离子体喷流长度。
本发明高压电极置于内介质管中，不仅安全而且可以避免发生弧光放电。工作气体可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物等；不仅有利于增加等离子体喷流中活性成份的种类和数量，同时也可以很好的避免发生弧光放电。产生的等离子体喷流长度、粗细、温度和数量可根据不同具体应用选择。
本发明易制作、好维护、使用方便、成本低、便携性好，克服了现有装置所存在的局限性，使介质阻挡放电等离子体喷流向空间长距离延伸、集中或开放，同时喷射出来的等离子体属于非热力学平衡的低温等离子体。根据不同的具体应用，选择不同的驱动电源和不同的工作气体，喷射出来的等离子体喷流温度可以改变，可以低于室温、接近室温或高于室温。同时喷射出来的等离子体喷流可以具有多种形状，其中含有的活性物质成份的种类及数量也可以根据具体应用进行选择，并可以实现常温常压下大规模大面积的具体应用。因此可以很方便的在常温常压下对物品或各种异形物品进行刻蚀、镀膜、表面改性、表面冶金和杀菌消毒等处理，拓宽了等离子体的应用范围，提高了其应用效果。
附图说明
图1为现有一种交流非平衡等离子体喷流装置示意图；
图2为现有另一种交流非平衡等离子体喷流装置示意图；
图3为现有射频等离子体针示意图；
图4为现有脉冲直流等离子体笔示意图；
图5为本发明第一个实施例结构示意图；
图6为本发明第二个实施例结构示意图；
图7为本发明第三个实施例结构示意图；
图8为本发明第四个实施例结构示意图，除去接地电极，其它标记与图7所示相同；
图9为本发明第五个实施例结构示意图；
图10(a)为一种单端封口单孔空心管状内介质管的径向截面图；
图10(b)为一种单端封口单孔空心管状内介质管的轴向剖视图；
图11(a)为一种单端封口多孔空心管状内介质管的径向截面图；
图11(b)为一种单端封口多孔空心管状内介质管的轴向剖视图；
图12(a)为形状为圆孔形喷嘴的径向截面图；
图12(b)为形状为圆孔形喷嘴的轴向剖视图；
图13(a)为形状为扁平孔形喷嘴的径向截面图；
图13(b)为形状为扁平孔形喷嘴的轴向剖视图；
图14(a)为形状为圆锥孔形喷嘴的径向截面图；
图14(b)为形状为圆锥孔形喷嘴的轴向剖视图；
图15(a)为形状为喇叭孔形喷嘴的径向截面图；
图15(b)为形状为喇叭孔形喷嘴的轴向剖视图；
图16(a)为形状为圆弧孔形喷嘴的径向截面图；
图16(b)为形状为圆弧孔形喷嘴的轴向剖视图。
具体实施方式
以下根据附图对本发明进行详细说明。
如图5所示，本发明的第一个实施例，包括工作气体源14、电源15、高压电极9、内介质管1、外介质容器2，高压电极9置于内介质管1内、并共同位于外介质容器2内，电源15连接高压电极9，所述内介质管1呈单端封口空心管状，其封口端内具有与高压电极9连通的导电材料3，另一端具有绝缘堵头10，高压电极9由绝缘堵头10和导电材料3固定，内介质管1由固定架20固定于外介质容器2中。通过套于外介质容器2的三通21，高压电极9与电源15连接，气体调控开关13将工作气体源14的工作气体11输入外介质容器2中。固定架20形状应使工作气体11输入均匀。
本发明第二个实施例如图6所示，包括工作气体源14、电源15、高压电极9、内介质管1、外介质容器2，高压电极9置于内介质管1内、并共同位于外介质容器2内，电源15连接高压电极9，外介质容器2经过气体调控开关13与工作气体源14连通，所述内介质管1呈单端封口空心管状，其封口端内具有与高压电极9连通的导电材料3，另一端具有绝缘堵头10，高压电极9由绝缘堵头10和导电材料3固定；外介质容器2顶端具有喷嘴5，外介质容器2通过绝缘堵头10与内介质管1固定。
外介质容器2具有单独的工作气体11输入口12，喷嘴5为外介质容器2的直接组成部分，呈空心圆管状；接地电极4紧贴于喷嘴5外壁。
高压电极9可以是单根或多根钨、铜、铝或不锈钢等导电性材料，同时导电材料3和接地电极4也可以是钨、铜、铝等导电性材料；
工作气体11可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物等。
内介质管1和外介质容器2可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化铝陶瓷等，形状及尺寸根据实际需要确定。
高压电极9长度，导电材料3长度、绝缘堵头10长度、接地电极4与内介质管1顶端距离，均可在一定范围内调整。
以单质氦气为例，调节气体调控开关13，以2升/分钟流量通入工作气体11，图中箭头所示为其流动方向。调节接地电极4与高压电极9的相对位置，距离17毫米。接地电极4通过导线接地，高压电极9接至电源15，选择交流电源为装置驱动电源。调节电源施加电压幅值至5千伏，频率38千赫兹。通过介质阻挡放电，产生等离子体7和等离子体喷流6。距离喷嘴5顶端口，外部空间延伸的等离子体喷流6最长可达110毫米，并且温度接近室温，人体的手可以直接接触。
输入气体流量可为0.1～100升每分钟，工作气体11的流速大小及输入均匀性对等离子体喷流6的形状有一定的影响。施加交流电压幅值220伏～60千伏，频率50赫兹～13.6兆赫兹；或者施加脉冲直流电压幅值220伏～50千伏，频率大于或等于50赫兹～100兆赫兹，脉宽大于或等于1纳秒。产生的等离子体喷流长度可为0.1～110毫米。
本发明第三个实施例如图7所示，接地电极4紧贴于外介质容器2外壁，喷嘴5为独立结构，与外介质容器2前端口连接，内介质管1由固定架20固定于外介质容器2中，通过三通21，高压电极9与电源15连接，工作气体11输入外介质容器2中。图7中其它标记与图6相同。
图8为本发明第四个实施例结构示意图；和图7的实施例区别在于没有接地电极，其它标记与图7所示相同。
图9为本发明第五个实施例结构示意图；内介质管1为单端封口多孔空心管，多根高压电极9分别位于空心管各孔中，并由绝缘堵头10与导电材料3固定。各高压电极9通过绝缘堵头10与控制开关22连接，控制开关22与电源15相连，并通过控制开关22控制各高压电极9的通断来控制等离子体喷流6的数量。除去接地电极，图9中其它标记与图7所示相同。
内介质管1孔的数量可根据具体应用调整，本实施例中为9个；内介质管1封口端的径向截面为圆形。
图10(a)、图10(b)所示为一种单端封口单孔空心管状内介质管，内介质管1封口端剖面为圆形，封口端为椭球形。
图11(a)、图11(b)所示为一种单端封口多孔空心管状内介质管，内介质管1径向截面为跑道形，封口端的各孔径向截面为圆形。
图12～图16所示喷嘴为独立连接式，并均具有与外介质管2开口端的接口配套、可靠而方便地连接在一起或卸下的接口。
如图12(a)、图12(b)所示，喷嘴5的形状为圆孔形；
如图13(a)、图13(b)所示，喷嘴5的形状为跑道形；
如图14(a)、图14(b)所示，喷嘴5的形状为圆锥孔形；
如图15(a)、图15(b)所示，喷嘴5的形状为喇叭孔形；
如图16(a)、图16(b)所示，喷嘴5的形状为圆弧孔形。
Claims (6)
1.一种等离子体喷流装置，包括工作气体源、电源、多根高压电极、内介质管和外介质容器，所述内介质管和外介质容器由石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷制成，所述内介质管为单端封口多孔空心管，所述多根高压电极分别置于所述内介质管的空心管的各孔中、并共同位于所述外介质容器内，所述外介质容器顶端具有喷嘴，且所述外介质容器长度大于所述内介质管长度，所述外介质容器与所述工作气体源相连通，所述内介质管的开口端内所述多根高压电极的一端具有绝缘堵头，而所述内介质管的封口端悬空位于所述外介质容器内且靠近于所述喷嘴的那端，且所述内介质管的封口端内具有分别与所述多根高压电极的另一端相连通的多个导电材料，所述多根高压电极由所述绝缘堵头和所述多个导电材料固定，其特征在于：
所述多根高压电极穿过所述绝缘堵头与控制开关连接，所述控制开关与所述电源相连，并通过所述控制开关控制所述多根高压电极的通断来控制等离子体喷流的数量。
2.如权利要求1所述的等离子体喷流装置，其特征在于：所述外介质容器前端外或者喷嘴上套有接地电极；所述多根高压电极为棒状或片状导体。
3.如权利要求2所述的等离子体喷流装置，其特征在于：所述喷嘴开口端为圆孔、扁平形孔、圆锥形孔、弧形孔、喇叭形孔或多边形孔。
4.如权利要求1、2或3所述的等离子体喷流装置，其特征在于：构成所述内介质管的单端封口多孔空心管中各孔的封口端径向截面为圆形、椭圆形、矩形或多边形；所述导电材料形状与所述内介质管封口端的孔的形状拟合。
5.如权利要求1、2或3所述的等离子体喷流装置，其特征在于：所述电源为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。
6.如权利要求4所述的等离子体喷流装置，其特征在于：所述电源为交流电源、脉冲直流电源或者射频电源。
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