[發明專利]利用惰性氣體產生大直徑均勻等離子體羽的裝置及方法

有效

• 申請號: 202010954529.2
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112153798B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 李雪辰;趙娜;陳俊宇;宋彩虹;賈鵬英
• 申請（專利權）人: 河北大學
• 主分類號: H05H1/26
• 分類號: H05H1/26;H05H1/24
• 代理公司: 石家莊國域專利商標事務所有限公司 13112
• 代理人: 胡素梅

本發明提供了一種利用惰性氣體產生大直徑均勻等離子體羽的裝置及方法。該裝置利用針電極、介質管及平板電極組成噴槍結構，通過在針電極上施加高壓交流電壓，在介質管敞口端的開放環境產生非均勻絲狀等離子體羽，之后逐漸增加在平板電極上施加的高壓正直流電壓，使得非均勻絲狀等離子體羽轉變為均勻等離子體羽。在本發明實施例中所產生的均勻等離子體羽最大直徑為20mm，大于現有大多數在惰性氣體中產生的大氣壓等離子體羽的直徑，且不需要添加其他氣體，提高了處理速率和效率，適宜大規模工業應用，在表面處理、廢水凈化、殺菌消毒、元素探測、飛行器減阻、航空器隱身等領域具有深遠的意義。

技術領域

本發明涉及低溫等離子體技術領域，具體地說是一種利用惰性氣體產生大直徑均勻等離子體羽的裝置及方法。

背景技術

等離子體射流利用氣流和電場的作用使得放電區域產生的等離子體從噴管或噴口噴出，實現了放電區域和工作區域的分離。大氣壓等離子體射流產生的等離子體羽富含多種活性粒子，如OH自由基、O₃、處于激發態的N₂等；還有大量高能粒子(如電子)及紫外線。這些活性粒子、高能粒子及紫外線在許多領域具有十分重要的作用，如材料處理、元素探測、廢水凈化、癌癥治療及牙齒美白等。

等離子體羽的長度表征了射流傳導活性粒子的能力，因此等離子體射流應用中力求產生更長的等離子體羽。利用單電極等離子體射流，在正弦激勵下產生了長11cm的氦氣等離子體羽(見公開文獻Applied Physics Letters,2008,92:081502)。利用高壓脈沖電壓激勵介質阻擋放電射流，產生了長度約為6cm的氬氣等離子體羽(見公開文獻NanoscaleResearch Letters,2014,9:697)。這些等離子體較長，有利于處理復雜的三維物體，但直徑只有亞毫米量級，限制了等離子體射流用于大面積材料處理的工作效率。由于這些細等離子體羽看起來是絲狀的，如果僅通過增大射流管的直徑來增加等離子體羽直徑，會使等離子體羽變為不均勻的絲狀放電。絲狀放電會對脆弱樣品造成損傷。因此，應盡量避免產生不均勻的絲狀等離子體羽，實現均勻等離子體羽。

鑒于此，如何產生均勻等離子體羽對射流應用具有重要意義。通過向氬氣中加入氨氣(或氫氣)，當氨氣(或氫氣)的體積分數達到3％以上時，等離子體變得均勻(見公開文獻Physics of Plasmas,2016,23,093503和Journal of applied Physics,2013,114,043301)。類似的，當向氬氣中加入丙酮的體積分數約為3％時，放電由絲狀變為均勻(見公開文獻Japanese Journal of Applied Physics,2011,50,116002)。以上雖然實現了均勻等離子體羽，但等離子體羽直徑仍然只有毫米量級。

在專利申請文件(CN201410780621.6)中公開了一種產生連續低溫大截面大氣壓等離子體羽的裝置及方法，其所產生的均勻等離子體羽的最大直徑為7mm?，F有研究的技術背景表明均勻冷等離子體羽的直徑一般小于厘米量級。

發明內容

本發明的目的就是提供一種利用惰性氣體產生大直徑均勻等離子體羽的裝置及方法，以解決現有方法所產生的均勻等離子體羽直徑較小的問題。

本發明是這樣實現的：一種利用惰性氣體產生大直徑均勻等離子體羽的裝置，包括放電機構、供氣機構和供電機構；所述放電機構包括針電極、介質管和平板電極；針電極的放電端與平板電極的極板板面相對，且針電極的放電端自介質管的封口端穿入介質管內，并伸入到介質管的敞口端處；針電極的非放電端與供電機構相接；所述供氣機構包括供氣管路以及用于向所述放電機構提供惰性工作氣體的儲氣罐；所述供電機構包括高壓交流電源、高壓直流電源和鎮流電阻；所述高壓交流電源與所述針電極的非放電端相接；所述高壓直流電源經鎮流電阻與平板電極相接。

本發明所提供的利用惰性氣體產生大直徑均勻等離子體羽的方法，具體包括如下步驟：

a、設置放電機構：使針電極與平板電極相對放置，針電極的放電端自介質管的封口端穿入介質管內并伸入到介質管的敞口端處；