[發明專利]一種產生均勻大氣壓下輝光放電的裝置及方法

在審

• 申請號: 201710341385.1
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107295740A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 丁衛東;王永生;閆家啟;王亞楠;王宇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H05H1/46
• 分類號: H05H1/46
• 代理公司: 北京鼎承知識產權代理有限公司11551
• 代理人: 張波濤,管瑩

技術領域

本發明屬于大氣壓下輝光放電產生技術領域，特別涉及一種產生均勻大氣壓下輝光放電的裝置及方法。

背景技術

輝光放電等離子體廣泛用于表面改性、臭氧合成、廢氣處理和電光源等領域。當前工業應用的輝光放電多數在低氣壓條件下產生，需使用昂貴的真空設備，應用成本較高。

相比而言，大氣壓下輝光放電具有放電均勻、功率密度適中等特點，這種放電形式產生的低溫非平衡等離子體具有非常優越的物理化學性質，具有很好的工業應用前景。國際上對大氣壓下輝光放電開展了大量的實驗研究，當前可產生大氣壓下輝光放電的技術主要有介質阻擋放電和大電阻鎮流的直流輝光放電等。介質阻擋放電使用交流電源，放電電極之間必須放置介質板，其放電多為細絲狀，對材料本身損害較大；大電阻鎮流的直流輝光放電使用高壓直流電源，放電回路中需采用大電阻鎮流，以防止輝光放電轉化為電弧放電，這一過程中鎮流電阻將會消耗大量的能量，電路效率較低。將大氣壓下輝光放電這種性能優越的低溫等離子體能否廣泛應用于工業領域的關鍵在于能否得到大體積均勻的大氣壓下輝光放電。而這兩種大氣壓下輝光放電的產生方式目前只是實現了幾個毫米范圍放電間隙中的均勻輝光放電，限制了大氣壓下輝光放電在工業領域的廣泛應用。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種產生均勻大氣壓下輝光放電的裝置及方法，本發明利用外施橫向磁場對高壓諧振電源產生的穩定絲狀大氣壓下輝光放電，在同軸電極裝置的放電間隙中，產生了直徑30mm圓周范圍內的大體積均勻輝光放電。

本發明通過如下技術方案實現，一種產生均勻大氣壓下輝光放電的裝置，包括調壓整流回路、高頻逆變回路、諧振回路、電極裝置和外施磁場，所述調壓整流回路與高頻逆變回路連接，高頻逆變回路與諧振回路連接，所述諧振回路與電極裝置連接，所述外施磁場垂直設置于電極裝置的下方，所述調壓整流回路、高頻逆變回路、諧振回路構成高壓諧振電源。

所述調壓整流回路包括調壓器、整流橋和穩壓電容，調壓器的輸出端連接整流橋的輸入端，整流橋的輸出端與穩壓電容連接；

所述高頻逆變回路包括串聯的第一電容和第二電容、串聯的第一MOSFET和第二MOSFET；串聯的第一電容和第二電容與串聯的第一MOSFET和第二MOSFET并聯連接；

所述諧振回路包括第一電感、第二電感、第三電容和脈沖變壓器原邊電感，所述第一電感與第一電容、第二電容的等效電容串聯連接，所述第二電感和第三電容串聯連接后與脈沖變壓器原邊電感并聯連接。

所述調壓整流回路用于產生幅值可調的穩定直流電壓；高頻逆變回路將直流電壓逆變為頻率從幾千到上百千赫茲可調的方波；諧振回路將方波電壓變為高頻高壓正弦交流電壓，并且維持負載電流穩定。

所述電極裝置為尖-環同軸電極，包括連接高壓源的陽極尖電極和接地的陰極環電極，其結構為同軸形式；陽極尖電極與諧振回路連接。

所述陽極尖電極和陰極環電極的同軸空氣間隙構成放電間隙。

所述陽極尖電極和陰極環電極的尺寸參數可根據實際需求進行調節，所述尺寸參數包括：陽極尖電極的長短、尖端錐度尺寸，陰極環電極的厚度及內外徑大小，陽極尖電極尖端到陰極環電極上平面的垂直距離。

所述陰極環電極可選用內徑為10～30mm的環電極。

所述外施磁場由永磁體提供，永磁體垂直設置于陰極環電極的下方。

所述永磁體和陰極環電極之間放置一塊絕緣介質板，用于減小永磁體本身對放電間隙電場分布的影響，通過改變所述絕緣介質板的厚度可以在一定范圍內改變磁場強度的大小。

一種產生均勻大氣壓下輝光放電的方法，包括如下步驟：

S100.通過計算確定諧振回路中第一電感、第二電感、第三電容的參數，從而確定高壓諧振電源的輸出電壓頻率，在較低的輸入電壓下，當其輸出電流突增且為最大時高壓諧振電源處于諧振狀態；

S200.在諧振狀態下，通過調節調壓器增大電源的輸入電壓幅值直至尖-環同軸電極間發生放電；

S300.尖-環同軸電極放電產生的高能電子和正離子在電場力和磁場洛倫茲力的作用下在放電間隙中高速偏轉，使絲狀大氣壓下輝光放電在整個放電間隙擴散開，得到陰極環電極整個同軸圓周范圍內的大體積均勻大氣壓下輝光放電。

所述方法通過調節電源的輸入電壓、電源的諧振頻率、磁場強度或改變尖-環同軸電極的尺寸可得到不同密度分布及不同體積大小的均勻大氣壓下輝光放電。

本發明與現有技術相比，采用如上技術方案帶來的有益技術效果是：