一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置及方法。所述裝置包括噴槍機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)。噴槍機(jī)構(gòu)由金屬陰極、中空閉合陽(yáng)極和U型介質(zhì)管構(gòu)成，金屬陰極伸入U(xiǎn)型介質(zhì)管內(nèi)的中心軸線上，且自由端與U型介質(zhì)管的敞口端齊平，中空閉合陽(yáng)極與金屬陰極相對(duì)設(shè)置，且兩者的中心軸線重合。供氣機(jī)構(gòu)用于給U型介質(zhì)管內(nèi)通入放電氣體。供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源和鎮(zhèn)流電阻，高壓直流電源的正高壓輸出端通過鎮(zhèn)流電阻與中空閉合陽(yáng)極電連接。本發(fā)明所提供的裝置是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的大氣壓直流激勵(lì)的等離子噴槍裝置，該裝置所產(chǎn)生的等離子體羽具有時(shí)間恒定、橫截面積大、放電過程中氣體溫度低、化學(xué)反應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低溫等離子體【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]大氣壓均勻放電產(chǎn)生的低溫等離子體(或稱等離子體羽)在工業(yè)、生物醫(yī)療、軍事上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，如應(yīng)用于材料制備、表面處理、材料蝕刻、臭氧合成、水處理、工業(yè)廢氣脫硫脫氮、殺菌消毒、飛行器減阻、航空器隱身等領(lǐng)域。目前，介質(zhì)阻擋放電是產(chǎn)生大氣壓均勻放電等離子體的最常用技術(shù)，但由于受到兩電極間放電間隙尺寸的限制，介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生均勻等離子體的應(yīng)用受到很大限制。針對(duì)于此，目前國(guó)內(nèi)外通常利用等離子體噴槍產(chǎn)生均勻等離子體。噴槍由于能夠?qū)⒌入x子體產(chǎn)生區(qū)和應(yīng)用區(qū)分離，從而避免了電極間隙對(duì)待處理材料的限制。
[0003]現(xiàn)有的噴槍按照其工作模式可以分為脈沖放電噴槍和連續(xù)放電噴槍。脈沖放電噴槍產(chǎn)生的等離子體羽是脈沖形式的，時(shí)間占空比較低，因此化學(xué)反應(yīng)效率低。對(duì)于連續(xù)放電噴槍，主要有電弧放電噴槍和微空心陰極放電噴槍。電弧放電噴槍是在陰極和陽(yáng)極之間通入工作氣體，在兩電極間施加高壓直流電，使之產(chǎn)生電弧放電，從而在氣體的下游區(qū)域產(chǎn)生等離子體羽。電弧放電噴槍所產(chǎn)生的等離子體羽溫度較高，因此使用過程中，容易損傷待處理熱敏材料，且噴槍需要配備冷卻裝置，生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。微空心陰極放電噴槍，雖然能夠產(chǎn)生氣體溫度較低的連續(xù)放電等離子體羽，但微空心陰極的直徑很小，導(dǎo)致產(chǎn)生的等離子體羽橫截面很小，不利于大尺寸材料的處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一就是提供一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，以解決現(xiàn)有噴槍產(chǎn)生的等離子體羽溫度高、橫截面小、時(shí)間占空比低的問題。
[0005]本發(fā)明的目的之二就是提供一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，采用該方法可產(chǎn)生低溫、大截面、時(shí)間占空比高的大氣壓等離子體羽。
[0006]本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，包括噴槍機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)；
所述噴槍機(jī)構(gòu)包括棒狀金屬陰極、中空閉合陽(yáng)極和U型介質(zhì)管；所述金屬陰極的一端接地，所述金屬陰極的另一端為自由端，所述金屬陰極的自由端從所述U型介質(zhì)管的封口端穿入所述U型介質(zhì)管內(nèi)，并伸到所述U型介質(zhì)管的敞口端處，所述金屬陰極位于所述U型介質(zhì)管的中心軸線上；在所述U型介質(zhì)管靠近其封口端的側(cè)壁上開有進(jìn)氣口，所述U型介質(zhì)管通過所述進(jìn)氣口與所述供氣機(jī)構(gòu)相接；所述中空閉合陽(yáng)極與所述U型介質(zhì)管的敞口端相對(duì)設(shè)置，所述中空閉合陽(yáng)極的中心軸線與所述金屬陰極的中心軸線重合；所述中空閉合陽(yáng)極與所述供電機(jī)構(gòu)相接；
所述供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路以及向所述噴槍機(jī)構(gòu)的所述U型介質(zhì)管內(nèi)提供放電氣體的氣瓶或氣泵；所述氣瓶或氣泵通過所述供氣管路與所述U型介質(zhì)管的進(jìn)氣口相接；在所述供氣管路上設(shè)置有氣閥、氣壓表和氣體體積流量計(jì)；
所述供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源和鎮(zhèn)流電阻；所述高壓直流電源的正高壓輸出端通過所述鎮(zhèn)流電阻與所述噴槍機(jī)構(gòu)中的所述中空閉合陽(yáng)極電連接。
[0007]所述U型介質(zhì)管的材質(zhì)為玻璃、石英或聚四氟乙烯；所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑為2—50mmo
[0008]所述金屬陰極的自由端距所述中空閉合陽(yáng)極的中心的距離為O — 200mm。
[0009]所述中空閉合陽(yáng)極的材質(zhì)為銅、鋁或不銹鋼；所述中空閉合陽(yáng)極的中空部分的形狀為圓形、方形、三角形、多邊形或不規(guī)則形狀；所述中空閉合陽(yáng)極的中心距其邊緣的最短距離大于所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑；所述中空閉合陽(yáng)極的厚度為0.1 — 20mm。
[0010]所述金屬陰極的材質(zhì)為鎢、銅或鐵；所述金屬陰極的直徑為0.1-5mm ;所述金屬陰極的自由端為針尖狀或絲網(wǎng)狀。
[0011]所述鎮(zhèn)流電阻的阻值為50 1?Ω-1 ΜΩ。
[0012]本發(fā)明所提供的裝置包括噴槍機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)。噴槍機(jī)構(gòu)由棒狀金屬陰極、中空閉合陽(yáng)極和U型介質(zhì)管構(gòu)成，金屬陰極伸入U(xiǎn)型介質(zhì)管內(nèi)的中心軸線上，且自由端與U型介質(zhì)管的敞口端齊平，中空閉合陽(yáng)極與金屬陰極相對(duì)設(shè)置，且兩者的中心軸線重合，兩者之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x。供氣機(jī)構(gòu)用于給U型介質(zhì)管內(nèi)通入放電氣體，所通入的放電氣體由U型介質(zhì)管的封口端向其敞口端方向流動(dòng)，并由U型介質(zhì)管的敞口端處向中空閉合陽(yáng)極方向流動(dòng)。供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源和鎮(zhèn)流電阻，高壓直流電源的正高壓輸出端通過鎮(zhèn)流電阻與中空閉合陽(yáng)極電連接；當(dāng)高壓直流電源的輸出電壓達(dá)到一定值時(shí)，可在兩電極之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象；通過調(diào)整鎮(zhèn)流電阻的阻值，可使兩電極之間的放電處于輝光放電模式，而不是電暈放電(鎮(zhèn)流電阻的阻值太大)或電弧放電(鎮(zhèn)流電阻的阻值太小)，故鎮(zhèn)流電阻的阻值一般為50 kQ-l ΜΩ。
[0013]本發(fā)明可在中空閉合陽(yáng)極與金屬陰極之間形成輝光放電，而非弧光放電，輝光放電所產(chǎn)生的等離子體羽的電子溫度較高而氣體溫度較低，因而在放電過程中金屬陰極和中空閉合陽(yáng)極不會(huì)因溫度過高而出現(xiàn)放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象，不需要冷卻；同時(shí)也不容易損傷待處理的熱敏材料。輝光放電所產(chǎn)生的等離子體羽不是脈沖的，而是時(shí)間恒定的(或稱連續(xù)的)，時(shí)間占空比高，化學(xué)反應(yīng)效率高。所產(chǎn)生的等離子體羽的直徑(此處所稱直徑一般指等離子體羽的最大直徑)由U型介質(zhì)管的內(nèi)徑?jīng)Q定，可以為2_到50_，即等離子體羽具有較大的橫截面積，有利于大面積材料的處理。
[0014]本發(fā)明所提供的裝置是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的大氣壓直流激勵(lì)的等離子噴槍裝置，該裝置所產(chǎn)生的等離子體羽具有時(shí)間恒定、橫截面積大、放電過程中氣體溫度低、化學(xué)反應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn)；該裝置在材料制備、表面處理、材料蝕刻、臭氧合成、水處理、殺菌消毒等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0015]本發(fā)明的目的之二是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，包括如下步驟:
a、設(shè)置噴槍機(jī)構(gòu)；所述噴槍機(jī)構(gòu)包括棒狀金屬陰極、中空閉合陽(yáng)極和U型介質(zhì)管；所述金屬陰極的一端接地，所述金屬陰極的另一端從所述U型介質(zhì)管的封口端穿入所述U型介質(zhì)管內(nèi)，并伸到所述U型介質(zhì)管的敞口端處，所述金屬陰極位于所述U型介質(zhì)管的中心軸線上；在所述U型介質(zhì)管靠近其封口端的側(cè)壁上開有進(jìn)氣口 ；所述中空閉合陽(yáng)極與所述U型介質(zhì)管的敞口端相對(duì)設(shè)置，所述中空閉合陽(yáng)極的中心軸線與所述金屬陰極的中心軸線重合；
b、設(shè)置供氣機(jī)構(gòu)；所述供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路以及氣瓶或氣泵；所述氣瓶或氣泵通過所述供氣管路與所述U型介質(zhì)管的進(jìn)氣口相接；在所述供氣管路上設(shè)置有氣閥、氣壓表和氣體體積流量計(jì)；
C、設(shè)置供電機(jī)構(gòu)；所述供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源和鎮(zhèn)流電阻；所述高壓直流電源的正高壓輸出端通過所述鎮(zhèn)流電阻與所述中空閉合陽(yáng)極電連接；
d、打開所述供氣管路上的氣閥，由所述氣瓶或氣泵向所述U型介質(zhì)管內(nèi)通入放電氣體；
e、打開所述高壓直流電源的開關(guān)，逐漸增加所述高壓直流電源的輸出電壓，使得在所述中空閉合陽(yáng)極與所述金屬陰極之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，且放電產(chǎn)生的等離子體羽僅出現(xiàn)在所述中空閉合陽(yáng)極與所述金屬陰極之間；
f、繼續(xù)增加所述高壓直流電源的輸出電壓，直至放電產(chǎn)生的等離子體羽穿過所述中空閉合陽(yáng)極的中空部分，形成連續(xù)的、低溫大截面大氣壓等離子體羽。
[0016]步驟d中由所述氣瓶或氣泵向所述U型介質(zhì)管內(nèi)通入的放電氣體為氦氣、氮?dú)狻鍤夂涂諝庵械闹辽僖环N；通入的放電氣體的流速為0.lL/min-10L/min。
[0017]步驟a所設(shè)置的噴槍機(jī)構(gòu)中，所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑為2 — 50_ ;所述金屬陰極的直徑為0.1-5mm ;所述金屬陰極的自由端為針尖狀或絲網(wǎng)狀。
[0018]步驟a所設(shè)置的噴槍機(jī)構(gòu)中，所述金屬陰極的自由端距所述中空閉合陽(yáng)極的中心的距離為O—200mm ;所述中空閉合陽(yáng)極的中心距其邊緣的最短距離大于所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑。
[0019]采用本發(fā)明所提供的方法，可產(chǎn)生低溫、大截面、時(shí)間占空比高的大氣壓等離子體羽；對(duì)于推動(dòng)等離子體在材料制備、表面處理、材料蝕刻、臭氧合成、水處理、工業(yè)廢氣脫硫脫氮、殺菌消毒、飛行器減阻、航空器隱身等中的應(yīng)用將具有深遠(yuǎn)的意義和廣泛的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明中產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明中所產(chǎn)生的放電等離子體羽的照片圖。
[0022]圖3是本發(fā)明中所產(chǎn)生的放電等離子體羽的電壓波形示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明中所產(chǎn)生的放電等離子體羽的電流波形示意圖。
[0024]圖5是本發(fā)明中所產(chǎn)生的放電等離子體羽的發(fā)光信號(hào)波形示意圖。
[0025]圖6是介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)的脈沖放電噴槍所形成的放電等離子體羽的電壓波形示意圖。
[0026]圖7是介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)的脈沖放電噴槍介質(zhì)阻擋管內(nèi)發(fā)光信號(hào)的波形示意圖。
[0027]圖8是介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)的脈沖放電噴槍所形成的放電等離子體羽的發(fā)光信號(hào)的波形示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1，一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明所提供的裝置包括噴槍機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)。
[0030]噴槍機(jī)構(gòu)包括棒狀金屬陰極1、中空閉合陽(yáng)極2和U型介質(zhì)管3。棒狀金屬陰極I的一端接地，另一端為自由端。U型介質(zhì)管3具有封口端和敞口端；U型介質(zhì)管3側(cè)向放置，使得其封口端和敞口端處于同一水平面內(nèi)。棒狀金屬陰極I的自由端從U型介質(zhì)管3封口端的底部穿入U(xiǎn)型介質(zhì)管3內(nèi)，并伸到U型介質(zhì)管3的敞口端處，棒狀金屬陰極I的自由端與U型介質(zhì)管3的敞口端齊平。棒狀金屬陰極I處于U型介質(zhì)管3的中心軸線上。
[0031]棒狀金屬陰極I的材質(zhì)為具有良好導(dǎo)電率的金屬，如鎢、銅或鐵等。棒狀金屬陰極I的直徑應(yīng)與U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑相適配,例如可以為0.1一5mm。棒狀金屬陰極I的自由端應(yīng)具有較大的曲率，例如可以設(shè)計(jì)為針尖狀或絲網(wǎng)狀等。
[0032]在U型介質(zhì)管3靠近其封口端的側(cè)壁上開有進(jìn)氣口，U型介質(zhì)管3通過其側(cè)壁的進(jìn)氣口與供氣機(jī)構(gòu)相接，供氣機(jī)構(gòu)用于向U型介質(zhì)管3內(nèi)通入放電氣體。U型介質(zhì)管3作為放電氣體流通的通道，其材質(zhì)可以是玻璃、石英或聚四氟乙烯等絕緣電解質(zhì)材料。U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑可以決定所產(chǎn)生的等離子體羽的直徑(此處所稱等離子體羽的直徑一般為等離子體羽的最大直徑)，U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑可以為2—50_，則所產(chǎn)生的等離子體羽的直徑也可以為2—50mm。
[0033]供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路以及氣瓶或氣泵7，供氣管路的一端連接氣瓶或氣泵7的開口端，另一端連接U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口，即:氣瓶或氣泵7通過供氣管路與U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口相接。在供氣管路上設(shè)置有氣閥6、氣壓表5和氣體體積流量計(jì)4。打開氣閥6，氣瓶或氣泵7內(nèi)的放電氣體可沿供氣管路到達(dá)U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口處，之后由U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口流入U(xiǎn)型介質(zhì)管3內(nèi)，并流經(jīng)棒狀金屬陰極I與U型介質(zhì)管3內(nèi)壁之間的區(qū)域。放電氣體在U型介質(zhì)管3內(nèi)由U型介質(zhì)管3的封口端向敞口端方向流動(dòng),并從U型介質(zhì)管3的敞口端流出。向U型介質(zhì)管3內(nèi)通入的放電氣體可以是氦氣、氮?dú)狻鍤饣蚩諝獾?，也可以是上述氣體中任意兩者或兩者以上的混合氣體。通入的放電氣體的體積流量可根據(jù)U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑以及放電氣體的不同,在0.lL/min一10L/min之間選擇。
[0034]中空閉合陽(yáng)極2，顧名思義，即是采用中間為中空部分的閉合形的電極作為陽(yáng)極。中空閉合陽(yáng)極2與棒狀金屬陰極I的自由端(或U型介質(zhì)管3的敞口端)相對(duì)設(shè)置，即:中空閉合陽(yáng)極2處于放電氣體的下游區(qū)。中空閉合陽(yáng)極2的中心軸線與棒狀金屬陰極I的中心軸線重合，且中空閉合陽(yáng)極2的中心與棒狀金屬陰極I的自由端保持一定的距離，例如可以為O—200mm,對(duì)于端值為“O”的情況指中空閉合陽(yáng)極2的中心與棒狀金屬陰極I的自由端相接觸的情況。棒狀金屬陰極I和中空閉合陽(yáng)極2可在水平面上用絕緣支架支撐固定。中空閉合陽(yáng)極2可安裝在能夠滑動(dòng)的軌道上，從而可以方便地調(diào)節(jié)兩電極之間(即中空閉合陽(yáng)極2與棒狀金屬陰極I之間)的距離。
[0035]中空閉合陽(yáng)極2的材質(zhì)可以為銅、鋁或不銹鋼等金屬材料。中空閉合陽(yáng)極2的中空部分的形狀可以為圓形、方形、三角形、多邊形或不規(guī)則形狀等，中空閉合陽(yáng)極2的中心距其邊緣的最短距離(若中空部分為圓形，則最短距離為圓的半徑；若中空部分為矩形，則最短距離為矩形的短邊；若中空部分為正多邊形，則最短距離為正多邊形內(nèi)切圓的半徑)應(yīng)大于U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑，以利于在兩電極間形成輝光放電。中空閉合陽(yáng)極2的厚度(即內(nèi)外徑之差)可以為0.1 — 20mm。
[0036]供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源9和鎮(zhèn)流電阻8。高壓直流電源9的一端接地，另一端為正高壓輸出端。高壓直流電源9的正高壓輸出端通過鎮(zhèn)流電阻8與中空閉合陽(yáng)極2電連接，高壓直流電源9與鎮(zhèn)流電阻8之間以及鎮(zhèn)流電阻8與中空閉合陽(yáng)極2之間通過導(dǎo)線連接。鎮(zhèn)流電阻8的作用是調(diào)節(jié)放電所產(chǎn)生的電流的大小，以使在兩個(gè)電極間的放電處于輝光放電模式(當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)輝光放電也需要輸出電壓滿足一定的要求)，而不是處于電暈放電(鎮(zhèn)流電阻太大)或者電弧放電模式(鎮(zhèn)流電阻太小)，因而其大小一般在50 kQ-l ΜΩ。
[0037]實(shí)施例2，一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法。
[0038]本發(fā)明所提供的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，包括如下步驟:
a、設(shè)置噴槍機(jī)構(gòu)。
[0039]如圖1所示，噴槍機(jī)構(gòu)包括棒狀金屬陰極1、中空閉合陽(yáng)極2和U型介質(zhì)管3。棒狀金屬陰極I的一端接地，另一端為自由端。U型介質(zhì)管3具有封口端和敞口端；U型介質(zhì)管3側(cè)向放置，使得其封口端和敞口端處于同一水平面內(nèi)。棒狀金屬陰極I的自由端從U型介質(zhì)管3封口端的底部穿入U(xiǎn)型介質(zhì)管3內(nèi)，并伸到U型介質(zhì)管3的敞口端處，棒狀金屬陰極I的自由端與U型介質(zhì)管3的敞口端齊平。棒狀金屬陰極I處于U型介質(zhì)管3的中心軸線上。
[0040]棒狀金屬陰極I的材質(zhì)為具有良好導(dǎo)電率的金屬，如鎢、銅或鐵等。棒狀金屬陰極I的直徑應(yīng)與U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑相適配,例如可以為0.1一5mm。棒狀金屬陰極I的自由端應(yīng)具有較大的曲率，例如可以設(shè)計(jì)為針尖狀或絲網(wǎng)狀。
[0041]在U型介質(zhì)管3靠近其封口端的側(cè)壁上開有進(jìn)氣口。U型介質(zhì)管3的材質(zhì)可以是玻璃、石英或聚四氟乙烯等絕緣電解質(zhì)材料。U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑可以決定所產(chǎn)生的等離子體羽的直徑，U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑可以為2 — 50mm。
[0042]中空閉合陽(yáng)極2與棒狀金屬陰極I的自由端(或U型介質(zhì)管3的敞口端)相對(duì)設(shè)置。中空閉合陽(yáng)極2的中心軸線與棒狀金屬陰極I的中心軸線重合，且中空閉合陽(yáng)極2的中心與棒狀金屬陰極I的自由端保持一定的距離，例如可以為O—200mm。棒狀金屬陰極I和中空閉合陽(yáng)極2可在水平面上用絕緣支架支撐固定。中空閉合陽(yáng)極2可安裝在能夠滑動(dòng)的軌道上，從而可以方便地調(diào)節(jié)兩電極之間(即中空閉合陽(yáng)極2與棒狀金屬陰極I之間)的距離。
[0043]中空閉合陽(yáng)極2的材質(zhì)可以為銅、鋁或不銹鋼等金屬材料。中空閉合陽(yáng)極2的中空部分的形狀可以為圓形、方形、三角形、多邊形或不規(guī)則形狀等，中空閉合陽(yáng)極2中心距其邊緣的最短距離應(yīng)大于U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑，以利于輝光放電的產(chǎn)生，否則可能會(huì)產(chǎn)生電弧放電。當(dāng)中空閉合陽(yáng)極2中空部分的形狀為圓形時(shí)，中空閉合陽(yáng)極2的內(nèi)徑應(yīng)大于U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑；當(dāng)中空閉合陽(yáng)極2中空部分的形狀為正方形時(shí)，中空閉合陽(yáng)極2中空部分的邊長(zhǎng)應(yīng)大于U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑；當(dāng)中空閉合陽(yáng)極2中空部分的形狀為正多邊形時(shí)，中空閉合陽(yáng)極2中空部分內(nèi)切圓的半徑應(yīng)大于U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑。中空閉合陽(yáng)極2的厚度(即內(nèi)外徑之差)可以為0.1 — 20mm。
[0044]b、設(shè)置供氣機(jī)構(gòu)。
[0045]供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路以及氣瓶或氣泵7，供氣管路的一端連接氣瓶或氣泵7的開口端，另一端連接U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口，即:氣瓶或氣泵7通過供氣管路與U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口相接。在供氣管路上設(shè)置有氣閥6、氣壓表5和氣體體積流量計(jì)4。打開氣閥6，氣瓶或氣泵7內(nèi)的放電氣體可沿供氣管路到達(dá)U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口處，之后由U型介質(zhì)管3的進(jìn)氣口流入U(xiǎn)型介質(zhì)管3內(nèi)，并流經(jīng)棒狀金屬陰極I與U型介質(zhì)管3內(nèi)壁之間的區(qū)域。向U型介質(zhì)管3內(nèi)通入的放電氣體可以是氦氣、氮?dú)?、氬氣或空氣等，也可以是上述氣體中任意兩者或兩者以上的混合氣體。通入的放電氣體的體積流量可根據(jù)U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑以及放電氣體的不同，在0.lL/min一10L/min之間選擇。
[0046]C、設(shè)置供電機(jī)構(gòu)。
[0047]供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源9和鎮(zhèn)流電阻8。高壓直流電源9的一端接地，另一端為正高壓輸出端。高壓直流電源9的正高壓輸出端通過鎮(zhèn)流電阻8與中空閉合陽(yáng)極2電連接，高壓直流電源9與鎮(zhèn)流電阻8之間以及鎮(zhèn)流電阻8與中空閉合陽(yáng)極2之間通過導(dǎo)線連接。鎮(zhèn)流電阻8的作用是使得兩個(gè)電極間的放電處于輝光放電模式，而不是處于電暈放電(鎮(zhèn)流電阻太大)或者電弧放電模式(鎮(zhèn)流電阻太小)，因而其大小一般在50 kQ-l ΜΩ。
[0048]d、打開供氣管路上的氣閥，由氣瓶或氣泵7向U型介質(zhì)管3內(nèi)通入放電氣體。放電氣體在U型介質(zhì)管3內(nèi)由U型介質(zhì)管3的封口端向敞口端方向流動(dòng)，并從U型介質(zhì)管3的敞口端流出。
[0049]e、打開高壓直流電源9的開關(guān)，逐漸增大高壓直流電源9的輸出電壓，使得在中空閉合陽(yáng)極2與棒狀金屬陰極I之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，且放電產(chǎn)生的等離子體羽僅出現(xiàn)在中空閉合陽(yáng)極2與棒狀金屬陰極I之間。
[0050]f、繼續(xù)增大高壓直流電源9的輸出電壓，直至放電產(chǎn)生的等離子體羽穿過中空閉合陽(yáng)極2的中空部分，在中空閉合陽(yáng)極2的外側(cè)(遠(yuǎn)離棒狀金屬陰極I的一側(cè)，即氣流下游區(qū))也形成等離子體羽。
[0051]下面以一具體例子詳細(xì)描述本發(fā)明中產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法。
[0052]結(jié)合圖1，選擇長(zhǎng)度為12 cm，直徑為1.5 mm的鎢棒作為金屬陰極1，且金屬陰極I的自由端為針尖狀，針尖的直徑約為200 U型介質(zhì)管3是內(nèi)徑為7 mm，厚度(即內(nèi)外徑之差)為Imm的玻璃管。鎮(zhèn)流電阻8的阻值為500 kQ。中空閉合陽(yáng)極2是內(nèi)徑為3 cm,外徑為3.2cm的鐵環(huán)。金屬陰極I自由端(即鎢針尖端)距中空閉合陽(yáng)極2中心的距離為Icm (此處所提到的參數(shù)只是用于舉例說明，參數(shù)間并不存在特定的比例關(guān)系)。
[0053]具體放電的方法為:(I)打開供氣機(jī)構(gòu)中供氣管路上的氣閥6，由氣瓶或氣泵7向U型介質(zhì)管3內(nèi)提供放電氣體。通過調(diào)節(jié)氣閥6的開口大小，使供氣管路中通過的氣體的體積流量為2 L/min (可由氣體體積流量計(jì)4觀察到)。(2)打開高壓直流電源9的開關(guān)，并逐漸增加高壓直流電源9的輸出電壓，當(dāng)其輸出電壓達(dá)到5kV或更高時(shí)，可以觀察到在兩電極間有放電等離子體羽產(chǎn)生但等離子體羽未能穿過中空閉合陽(yáng)極2的中空部分，放電過程中伴有輕微的鳴叫聲。隨著高壓直流電源9輸出電壓的逐漸增大，等離子體羽的長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)輸出電壓增大到7kV或更高時(shí)，等離子體羽穿過中空閉合陽(yáng)極2的中空部分，在中空閉合陽(yáng)極2的外側(cè)也形成了等離子體羽，此時(shí)放電沒有鳴叫聲。如圖2所示，圖2為本發(fā)明的裝置在前述放電條件下產(chǎn)生放電時(shí)的照片圖。圖2中示出了 U型介質(zhì)管3的敞口端及金屬陰極I的針尖端，在金屬陰極I與中空閉合陽(yáng)極2之間形成了大面積的等離子體羽10，且等離子體羽10穿過中空閉合陽(yáng)極2的中空部分，在中空閉合陽(yáng)極2的外側(cè)也形成了等離子體羽10。本實(shí)施例中U型介質(zhì)管3的內(nèi)徑為7mm，所產(chǎn)生的等離子體羽10的直徑(即最大直徑)為7mm，即與U型介質(zhì)管3敞口端相接位置處的等離子體羽的直徑為7mm。
[0054]從圖2可知，本發(fā)明產(chǎn)生的等離子體羽的直徑由U型介質(zhì)管的內(nèi)徑?jīng)Q定(本實(shí)例中約為7_)。與微空心陰極放電噴槍相比，本發(fā)明產(chǎn)生的等離子體羽具有較大的橫截面積，有利于大面積材料的處理。與以往采用的由直流電驅(qū)動(dòng)的等離子體電弧噴槍裝置相比，本發(fā)明放電是通過輝光放電產(chǎn)生的等離子體羽；該等離子體羽電子溫度較高而氣體溫度較低，因而在放電過程中不會(huì)出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，不需要冷卻。與介質(zhì)阻擋放電噴槍相比，本發(fā)明產(chǎn)生的放電等離子體羽是時(shí)間恒定的放電，時(shí)間占空比高，化學(xué)反應(yīng)效率高。具體可參見圖:T圖8，圖3、圖4和圖5，分別示出了本發(fā)明中所產(chǎn)生的放電等離子體羽的電壓波形、電流波形及發(fā)光信號(hào)的波形示意圖，由圖圖5可明顯看出本發(fā)明中所產(chǎn)生的放電等離子體羽是連續(xù)的，即時(shí)間是恒定的。圖6、圖7和圖8分別示出了介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)的脈沖放電噴槍所形成的放電等離子體羽的電壓波形、介質(zhì)阻擋管內(nèi)發(fā)光信號(hào)的波形及等離子體羽的發(fā)光信號(hào)的波形示意圖，由圖6?圖8可明顯看出脈沖放電噴槍所形成的放電等離子體羽是脈沖形式的，即是不連續(xù)的。
[0055]上述例子中所提到的高壓直流電源9的輸出電壓以及放電氣體的氣體體積流量的值只針對(duì)上述所提到的裝置參數(shù)適用，在具體實(shí)施過程中視具體情況可以改變輸出電壓和氣體體積流量。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，其特征是，包括噴槍機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)； 所述噴槍機(jī)構(gòu)包括棒狀金屬陰極、中空閉合陽(yáng)極和U型介質(zhì)管；所述金屬陰極的一端接地，所述金屬陰極的另一端為自由端，所述金屬陰極的自由端從所述U型介質(zhì)管的封口端穿入所述U型介質(zhì)管內(nèi)，并伸到所述U型介質(zhì)管的敞口端處，所述金屬陰極位于所述U型介質(zhì)管的中心軸線上；在所述U型介質(zhì)管靠近其封口端的側(cè)壁上開有進(jìn)氣口，所述U型介質(zhì)管通過所述進(jìn)氣口與所述供氣機(jī)構(gòu)相接；所述中空閉合陽(yáng)極與所述U型介質(zhì)管的敞口端相對(duì)設(shè)置，所述中空閉合陽(yáng)極的中心軸線與所述金屬陰極的中心軸線重合；所述中空閉合陽(yáng)極與所述供電機(jī)構(gòu)相接； 所述供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路以及向所述噴槍機(jī)構(gòu)的所述U型介質(zhì)管內(nèi)提供放電氣體的氣瓶或氣泵；所述氣瓶或氣泵通過所述供氣管路與所述U型介質(zhì)管的進(jìn)氣口相接；在所述供氣管路上設(shè)置有氣閥、氣壓表和氣體體積流量計(jì)； 所述供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源和鎮(zhèn)流電阻；所述高壓直流電源的正高壓輸出端通過所述鎮(zhèn)流電阻與所述噴槍機(jī)構(gòu)中的所述中空閉合陽(yáng)極電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，其特征是，所述U型介質(zhì)管的材質(zhì)為玻璃、石英或聚四氟乙烯；所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑為2 — 50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，其特征是，所述金屬陰極的自由端距所述中空閉合陽(yáng)極的中心的距離為O — 200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，其特征是，所述中空閉合陽(yáng)極的材質(zhì)為銅、鋁或不銹鋼；所述中空閉合陽(yáng)極的中空部分的形狀為圓形、方形、三角形、多邊形或不規(guī)則形狀；所述中空閉合陽(yáng)極的中心距其邊緣的最短距離大于所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑；所述中空閉合陽(yáng)極的厚度為0.1一20mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，其特征是，所述金屬陰極的材質(zhì)為鎢、銅或鐵；所述金屬陰極的直徑為0.1-5mm ;所述金屬陰極的自由端為針尖狀或絲網(wǎng)狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置，其特征是，所述鎮(zhèn)流電阻的阻值為50 kQ-l ΜΩ。
7.—種產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，其特征是，包括如下步驟: a、設(shè)置噴槍機(jī)構(gòu)；所述噴槍機(jī)構(gòu)包括棒狀金屬陰極、中空閉合陽(yáng)極和U型介質(zhì)管；所述金屬陰極的一端接地，所述金屬陰極的另一端從所述U型介質(zhì)管的封口端穿入所述U型介質(zhì)管內(nèi)，并伸到所述U型介質(zhì)管的敞口端處，所述金屬陰極位于所述U型介質(zhì)管的中心軸線上；在所述U型介質(zhì)管靠近其封口端的側(cè)壁上開有進(jìn)氣口 ；所述中空閉合陽(yáng)極與所述U型介質(zhì)管的敞口端相對(duì)設(shè)置，所述中空閉合陽(yáng)極的中心軸線與所述金屬陰極的中心軸線重合； b、設(shè)置供氣機(jī)構(gòu)；所述供氣機(jī)構(gòu)包括供氣管路以及氣瓶或氣泵；所述氣瓶或氣泵通過所述供氣管路與所述U型介質(zhì)管的進(jìn)氣口相接；在所述供氣管路上設(shè)置有氣閥、氣壓表和氣體體積流量計(jì)； C、設(shè)置供電機(jī)構(gòu)；所述供電機(jī)構(gòu)包括高壓直流電源和鎮(zhèn)流電阻；所述高壓直流電源的正高壓輸出端通過所述鎮(zhèn)流電阻與所述中空閉合陽(yáng)極電連接； d、打開所述供氣管路上的氣閥，由所述氣瓶或氣泵向所述U型介質(zhì)管內(nèi)通入放電氣體； e、打開所述高壓直流電源的開關(guān)，逐漸增加所述高壓直流電源的輸出電壓，使得在所述中空閉合陽(yáng)極與所述金屬陰極之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，且放電產(chǎn)生的等離子體羽僅出現(xiàn)在所述中空閉合陽(yáng)極與所述金屬陰極之間； f、繼續(xù)增加所述高壓直流電源的輸出電壓，直至放電產(chǎn)生的等離子體羽穿過所述中空閉合陽(yáng)極的中空部分，形成連續(xù)的、低溫大截面大氣壓等離子體羽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，其特征是，步驟d中由所述氣瓶或氣泵向所述U型介質(zhì)管內(nèi)通入的放電氣體為氦氣、氮?dú)?、氬氣和空氣中的至少一種；通入的放電氣體的流速為0.lL/min-10L/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，其特征是，步驟a所設(shè)置的噴槍機(jī)構(gòu)中，所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑為2 — 50mm;所述金屬陰極的直徑為0.1-5mm ;所述金屬陰極的自由端為針尖狀或絲網(wǎng)狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生連續(xù)低溫大截面大氣壓等離子體羽的方法，其特征是，步驟a所設(shè)置的噴槍機(jī)構(gòu)中，所述金屬陰極的自由端距所述中空閉合陽(yáng)極的中心的距離為O — 200mm;所述中空閉合陽(yáng)極的中心距其邊緣的最短距離大于所述U型介質(zhì)管的內(nèi)徑。
【文檔編號(hào)】H05H1/34GK104411083SQ201410780621
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】李雪辰, 鮑文婷, 張盼盼, 楚婧娣 申請(qǐng)人:河北大學(xué)