[發明專利]多級電離產生低能量高密度等離子體的裝置及方法

無效

• 申請號: 201110087556.5
• 申請日: 2011-04-08
• 公開（公告）號: CN102149247A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 顧璠;張基棟;李森
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H05H1/30
• 分類號: H05H1/30
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明屬于等離子體科技領域，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道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，并且僅僅通過增加陣列數量也遇到了種種難題。采用多級電離的方式，可以擴大等離子體的射流面積，并且，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回路；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回路，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回路；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，并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回路，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于6kV，頻率不低于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涂有一層高介電系數的高分子材料，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于10kV，頻率不低于20kHz。

第三高壓高頻電源峰值電壓不低于10kV，頻率不低于20kHz。

金屬棒電極的前端為光滑的半球狀，金屬絲網電極要有盡量大的展開面積。

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。

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，產生了較均勻并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范圍和場合；

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1ev，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。

附圖說明

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；

圖3為放電二級的截面結構圖。