CN112004304B - 一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置，包括有电晕电源、介质阻挡放电电源、工作气源、气体控制器、金属丝、介质阻挡放电电极和绝缘管，所述绝缘管一端插入金属丝，所述金属丝的一端伸出绝缘管，与所述的电晕电源的高压输出端相连；所述绝缘管上端的侧壁上设有气体输入口，所述气体输入口通过管路与工作气源相连，并通过气体控制器控制；所述绝缘管上在靠近气体输出口部位的外壁上安装有介质阻挡放电电极，与介质阻挡放电电源的输出端相连，在所述的绝缘管气体输出口处形成均匀稳定的长射流等离子体。本发明所产生的等离子体射流长、尺寸大、均匀性好，操作使用安全。
Description
技术领域
本发明属于低温等离子体发生装置，具体涉及一种电晕复合介质阻挡放电的等离子体射流装置。
背景技术
大气压冷等离子体射流作为一种新型的大气压等离子体发生技术，是利用流场和电场的作用,使放电区域产生的等离子体射流从管口喷出,并在周围的大气中形成定向的流动及进一步的放电。由于等离子体射流形成于开放的空气环境中,而不是局限在窄小的放电空间中，对被处理物体的几何形状和尺寸没有限制，增强了放电等离子体的适用性，同时它还具有射流温度接近室温、化学活性高、灵活性强等优点,在生物医学应用、材料表面改性、薄膜沉积、刻蚀、污染物控制等领域具有良好的应用前景。
但是，由于大气压下，气体击穿场强较强，一般需要近万伏、甚至更高的电压才能够产生等离子体，这给实际操作带来了一定的安全隐患；同时产生的等离子体射流长度较短，径向尺寸较小，较小的射流尺寸导致实际应用中处理面积小，降低了处理效率；此外，电场的不均匀性造成射流等离子体空间分布不均匀也是该技术在应用中存在的一个问题。
专利CN1777347A利用电晕耦合介质阻挡放电装置产生大面积的低温等离子体，具体做法是将介质阻挡放电一对电极中的一个电极制成表面带有分布均匀的小锥尖端，从而提高场强，降低击穿电压，其本质依旧是介质阻挡放电。专利CN101466194A“预电离大气压低温等离子体射流发生器”采用了针电极和环状高压电极，针电极放电为环状电极放电提供种子电子，在环状电极与接地电极之间形成稳定的辉光放电等离子体射流，但是该装置的针电极与环状电极上施加的是相同的高压，不能对针电极与环状电极的电压独立调节，从而导致放电区域空间电场位形固定，不利于形成均匀的大面积等离子体。专利CN109587921A“一种耦合高能电子的等离子体射流发生装置”的解决方式是通过引入高能电子，利用高能电子的碰撞电离，实现大面积均匀等离子体的产生，同时电子的能量可调节和控制，装置结构复杂、成本高。
发明内容
本发明技术解决方案：针对现有技术存在的不足，提供一种电晕复合介质阻挡放电的等离子体射流装置，解决现有射流等离子体径向直径偏小、射流长度偏短、等离子体空间分布不均匀，以及放电电压高易带来的安全隐患等问题，本发明通过电晕放电和介质阻挡放电复合，两种放电独立可控，可在较宽泛的条件下，产生均匀大面积的等离子体，并且介质阻挡放电的电压较低，当其应用在生物医疗领域时，电安全性能得到提升。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置，包括有电晕电源、介质阻挡放电电源、工作气源、气体控制器、金属丝、介质阻挡放电电极和绝缘管，所述绝缘管一端插入金属丝，所述金属丝的一端伸出绝缘管，与所述的电晕电源的高压输出端相连；所述绝缘管上端的侧壁上设有气体输入口，所述气体输入口通过管路与工作气源相连，并通过气体控制器控制；所述绝缘管上在靠近气体输出口部位的外壁上安装有介质阻挡放电电极，与介质阻挡放电电源的输出端相连，在所述的绝缘管气体输出口处形成均匀稳定的长射流等离子体。电晕放电产生的电场较强，提供种子电子，促进了介质阻挡放电等离子体的稳定产生，同时由于电晕电极与介质阻挡放电电极位置布局，有利于在空间形成较均匀的电场，促使更易产生大面积均匀的等离子体射流。
进一步的，所述的绝缘管内径不变或者下端渐缩，所用材质为石英玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯。在电极间安插绝缘介质(石英玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯)，防止在放电空间形成局部火花放电或弧光放电，实现稳定的气体放电，整个放电过程也更加均匀温和。绝缘管下端渐缩，有助于工作气体的汇聚，减弱对环境气体的卷吸，从而形成的射流更加稳定和均匀。
进一步的，所述的介质阻挡放电等离子体源和所述的电晕放电等离子体源复合到一起，两者都是独立可控的。通过独立控制电极上的加载的电压，可以调控电晕放电和介质阻挡放电的强弱，有助于放电的均匀性。
进一步的，所述的介质阻挡放电电极为环形金属构件，套装在绝缘管上靠近气体输出口部位。位于绝缘管的外侧介质阻挡放电电极可以与位于绝缘管中轴位置的金属丝，在空间位置上布置了较均匀分布的放电电极，有助于提高大尺寸空间放电的均匀性，形成大体积均匀的等离子体射流。
进一步的，所述的环形金属构件数量为1-2个，数量为1时，连接至介质阻挡放电电源的高压端；数量为2时，平行布置，两者典型间隙为5-100mm，间隙间布置有绝缘凸台，距离气体输出口稍远和靠近气体输出口的所述环形金属构件，分别连接至介质阻挡放电电源的高压端和接地端。间隙间布置有绝缘凸台，可以防止两电极在绝缘管外直接放电，确保装置的可靠性和安全性。
进一步的，所述金属丝的直径典型值为0.1-2mm，金属丝末端置于介质阻挡放电电极的上端，两者典型间隙为0-50mm。采用直径较细的金属丝，可以有效增强电场强度，降低电晕放电电压，金属丝末端与介质阻挡放电电极间隙，有助于根据各自的电压，调节空间电场的分布，达到均匀电场分布的目的。
进一步的，所述的金属丝中轴线与绝缘管中轴线重合。金属丝中轴线与绝缘管中轴线重合，也是与介质阻挡放电电极中轴线重合，解决了介质阻挡放电电极在绝缘管内中心电场较弱的问题，促进了等离子体径向的均匀性。
本发明的有益效果在于：本发明通过电晕放电和介质阻挡放电的复合，促进径向空间电场的均匀性，有助于实现大面积均匀等离子体放电，此外由于增加了位于绝缘管中心位置的金属丝，通过与介质阻挡放电电极在轴向上电场的叠加，增加了轴向电场的强度，提高了等离子体射流的长度，通过独立调控的电晕放电和介质阻挡放电，可以避免现有技术存在的电晕等离子体与介质阻挡放电等离子体参数耦合，无法独立调控的问题；此外由于电晕提供种子电子和对放电的增强作用，可以大幅降低介质阻挡放电电压，提高操作的安全性。
附图说明
图1和图2为本发明设计的一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置的示意图。
附图标记说明：1电晕电源；2电晕电极高压电缆；3金属丝；4绝缘管；5介质阻挡放电上电极；6绝缘凸台；7介质阻挡放电下电极；8气体输入口；9气体控制器；10管路；11介质阻挡高压电缆；12工作气源；13介质阻挡放电电源；14接地线；15气体输出口；16等离子体射流。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明的一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置，包括有电晕电源1、介质阻挡放电电源13、工作气源12、气体控制器9、金属丝3、介质阻挡放电上电极5、介质阻挡放电下电极7和绝缘管4，金属丝3一端插进绝缘管4，金属丝3中轴线与绝缘管4中轴线重合，金属丝3的直径为0.5mm，它的末端置于介质阻挡放电上电极5的上端，两者间隙为10mm，金属丝3的另一端伸出绝缘管4，与电晕电源1的高压输出端相连；绝缘管4上端的侧壁上设有气体输入口8，气体输入口8通过管路10与工作气源12相连，并通过气体控制器9控制；绝缘管4上在靠近气体输出口15部位的外壁上套装有两个平行且保持一定间距的环形金属构件，两个环形金属构件的间隙为20mm，分别作为介质阻挡放电上电极5和介质阻挡放电下电极7，在两个电极间隙间布置有绝缘凸台6，这两个电极分别连接至介质阻挡放电电源13的高压端和接地端，在绝缘管4的气体输出口15处形成均匀稳定的长射流等离子体16。
等离子体工作气体(如氦气、氩气、氮气、空气、氧气中的一种或两种及两种以上的混合)由工作气源12通过气体控制器9控制，经由管路10从气体输入口8进入绝缘管4中，绝缘管4可以选用石英玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等绝缘材料制成的圆管，当开启电晕电源1，电晕电源1可以为直流、交流或脉冲电源，参数在3.0-10.0kV范围内可独立调节，本实施例施加电晕放电的电压为6kV，电压通过电晕电极高压电缆2施加到金属丝3上，此时工作气体发生电离，产生电晕放电。预电离后的气体流经绝缘管4，在靠近气体输出口15部位的外壁上安装的介质阻挡放电上电极5和介质阻挡放电下电极7之间的绝缘管4内发生电离，此时，介质阻挡放电上电极5和下电极7分别通过介质阻挡高压电缆11和接地线14连接介质阻挡放电电源13的高压输出端和接地端(如图1)；或者预电离后的气体流经绝缘管4，在靠近气体输出口15部位的外壁上安装的介质阻挡放电上电极5及其下游区域的绝缘管4内发生电离，此时介质阻挡放电上电极5通过介质阻挡高压电缆11连接介质阻挡放电电源13的高压端(如图2)，介质阻挡放电电源13可为交流或双极性脉冲电源，参数独立可控，电压可在2.0-8.0kV范围内调节，频率在5-30kHz内可调，本实施例中施加介质阻挡放电的电压为5kV，频率为10kHz。此时，在绝缘管4的气体输出口15处形成等离子体射流16。预电离后的气体与等离子体中各种粒子碰撞，如气体分子、原子和离子，可以促进等离子体中双原子分子进一步离解为原子，或直接电离，原子进一步电离，产生更多的带电粒子，同时可以将能量传递给这个分子和原子，使它们达到更高的能级，具有更高的能量，使得放电中原子、分子激发、电离和离解的等离子体化学过程迅速增加，气体电离率的提高，从而显著降低介质阻挡放电电源13的工作电压，此外，复合电场的增强以及空间位形的优化，可以有效的促进等离子体射流径向的均匀性，产生长射流、大尺寸、更加均匀稳定的等离子体射流16。
上述详细说明是针对本发明可行实施的具体说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置，其特征在于，包括：电晕电源(1)、介质阻挡放电电源(13)、工作气源(12)、气体控制器(9)、金属丝(3)、介质阻挡放电电极和绝缘管(4)；所述绝缘管(4)一端插入金属丝(3)，所述金属丝(3)的一端伸出绝缘管(4)，与所述的电晕电源(1)的高压输出端相连；所述绝缘管(4)上端的侧壁上设有气体输入口(8)，所述气体输入口(8)通过管路(10)与工作气源(12)相连，并通过气体控制器(9)控制；所述绝缘管(4)上在靠近气体输出口(15)部位的外壁上安装有介质阻挡放电电极，与介质阻挡放电电源的输出端相连，在所述的绝缘管(4)气体输出口(15)处形成均匀稳定的长射流等离子体(16)；金属丝与介质阻挡放电电极位置布局，有利于在空间形成均匀电场，促进大尺寸均匀等离子体射流的产生；
所述金属丝(3)的直径为0.5mm，金属丝(3)末端置于介质阻挡放电电极的上端，两者间隙为0-50mm；
所述的金属丝(3)中轴线与绝缘管(4)中轴线重合；
所述电晕电源(1)的参数独立调节，电压调节范围3.0-10kV；
所述介质阻挡放电电极为环形金属构件，套装在绝缘管上靠近气体输出口(15)部位；位于绝缘管(4)的外侧介质阻挡放电电极与位于绝缘管中轴位置的金属丝(3)，在空间位置上布置均匀分布的介质阻挡放电电极，有助于提高大尺寸空间放电的均匀性，形成大体积均匀的等离子体射流；所述绝缘管(4)上在靠近气体输出口(15)部位的外壁上套装有两个平行且保持一定间距的环形金属构件，两个环形金属构件的间隙为20mm，分别作为介质阻挡放电上电极(5)和介质阻挡放电下电极(7)，在两个电极间隙间布置有绝缘凸台(6)，这两个电极分别连接至介质阻挡放电电源(13)的高压端和接地端，金属丝(3)的末端置于介质阻挡放电上电极(5)的上端，两者间隙为10mm；
所述的环形金属构件的数量为1-2个，数量为1时，连接至介质阻挡放电电源(13)的高压端；数量为2时，平行布置，两者间隙为5-100mm，间隙间布置有绝缘凸台，距离气体输出口稍远和靠近气体输出口的所述环形金属构件，分别连接至介质阻挡放电电源的高压端和接地端；间隙间布置有绝缘凸台，防止两电极在绝缘管外直接放电，确保装置的可靠性和安全性；等离子体工作气体由工作气源(12)通过气体控制器(9)控制，经由管路(10)从气体输入口(8)进入绝缘管(4)中，绝缘管(4)选用绝缘材料制成的圆管，当开启电晕电源(1)，电晕电源(1)可以为直流、交流或脉冲电源，参数在3.0-10.0kV范围内可独立调节，施加电晕放电的电压为6kV，电压通过电晕电极高压电缆(2)施加到金属丝(3)上，此时工作气体发生电离，产生电晕放电，预电离后的气体流经绝缘管(4)，在靠近气体输出口(15)部位的外壁上安装的介质阻挡放电上电极(5)和介质阻挡放电下电极(7)之间的绝缘管(4)内发生电离，此时，介质阻挡放电上电极(5)和介质阻挡放电下电极(7)分别通过介质阻挡高压电缆(11)和接地线(14)连接介质阻挡放电电源(13)的高压输出端和接地端；或者预电离后的气体流经绝缘管(4)，在靠近气体输出口(15)部位的外壁上安装的介质阻挡放电上电极(5)及其下游区域的绝缘管(4)内发生电离，此时介质阻挡放电上电极(5)通过介质阻挡高压电缆(11)连接介质阻挡放电电源(13)的高压端，介质阻挡放电电源(13)可为交流或双极性脉冲电源，参数独立可控，施加介质阻挡放电的电压为5kV，频率为10kHz，此时，在绝缘管(4)的气体输出口(15)处形成等离子体射流(16)，通过绝缘管内上游中心轴处金属丝尖端处产的电晕等离子体，在气流作用下向下游发展，与中性气体分子碰撞，在介质阻挡放电电源(13)施加于下游介质阻挡放电电极电场的复合作用下，提高了中心轴处初始密度较高的等离子体与周边气体分子的碰撞频率和粒子间传递的能量，大大促进了周边等离子体密度的提高，复合电场的空间位形的优化和增强，可以有效的促进等离子体射流径向的均匀性，产生长射流、大尺寸、更加均匀稳定的等离子体射流(16)。
2.根据权利要求1所述的一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置，其特征在于：所述绝缘管(4)的内径不变或者下端渐缩，绝缘管(4)所用材质为石英玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种电晕复合介质阻挡放电等离子体射流发生装置，其特征在于：所述介质阻挡放电电源(13)为交流或双极性脉冲电源，参数独立调节，电压调节范围2.0-8.0kV，频率5-30kHz。
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