專利名稱：一種空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣體放電技術領域，涉及一種放電等離子體的產(chǎn)生技術，具體涉及一種空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法與裝置。
背景技術：
由于低溫等離子體中存在大量的多種活性粒子，比通常的化學反應器所產(chǎn)生的活性粒子種類更多、活性更強，更易于和所接觸的材料表面發(fā)生反應，因此在很多領域都有著極其廣泛的應用前景，例如臭氧合成、材料表面改性、等離子體刻蝕、固體薄膜沉積、滅菌消毒、大氣污染處理等等。在低氣壓下容易產(chǎn)生相對均勻的放電等離子體，然而低氣壓等離子體用于工業(yè)生產(chǎn)時存在兩個明顯的缺點(1)工業(yè)化處理過程中需要不斷打開真空處理室取出成品，添加試品，然后重新抽真空，充入工作氣體并放電，難以實現(xiàn)批量連續(xù)處理，生產(chǎn)效率不高；(2)放電時反應室處于低氣壓狀態(tài)，真空系統(tǒng)必不可少，而工業(yè)化的真空系統(tǒng)所需的投資和運行費用很高。
由于大氣壓下等離子體的產(chǎn)生不需要昂貴的真空設備，近年來國內(nèi)外研究者都非常關注常壓下等離子體的特性及應用。介質(zhì)阻擋放電(DBD)作為一種特殊的氣體放電形式，通過在電極間引入阻擋介質(zhì)，可在放電發(fā)生時限制放電電流的自由增長，阻止了電極間火花放電或弧光放電的形成，具有放電功率密度適中的特點，并可采取多種放電結構、混合氣體和工作條件(輸入功率、電源頻率、氣壓、氣流)，具有較強的適應性，非常適合工業(yè)化應用。國內(nèi)外已經(jīng)報導過，在低氣壓或惰性氣體中，采用高頻或射頻電源可以利用DBD產(chǎn)生均勻輝光放電等離子體。近年來，如何采用DBD的形式，采用廉價的工作氣體(空氣)和電源(工頻高壓)在常壓(大氣壓)下產(chǎn)生均勻輝光放電成為國內(nèi)外的研究熱點。
輝光放電通常在低pd值下產(chǎn)生，可以用Townsend放電理論加以解釋由于低氣壓下pd值很小，電子無法經(jīng)歷足夠多次碰撞使電子崩達到足夠大，空間電荷產(chǎn)生的電場十分低，離子將有足夠的時間向陰極運動，從陰極表面激發(fā)出二次電子，因此放電形式常表現(xiàn)為均勻的Townsend放電或輝光放電。而當pd值高于26kPa·cm時，則放電轉(zhuǎn)為可用流注理論解釋的細絲放電形式。要在大氣壓或次大氣壓下獲得均勻穩(wěn)定的輝光放電必須限制電子崩的增長幅度，防止轉(zhuǎn)化為流注而表現(xiàn)為一般的絲狀介質(zhì)阻擋放電，通過制造條件使放電在較低電場條件下產(chǎn)生，從而表現(xiàn)為輝光放電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法與裝置，能夠利用平板電極介質(zhì)阻擋放電的形式，在空氣中大氣壓下產(chǎn)生均勻輝光放電等離子體。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術解決方案一種空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法，其特征在于，該方法將兩個金屬圓盤電極平行固定在一個充滿常壓空氣的腔體內(nèi)，在每個電極的內(nèi)表面均覆蓋聚合物阻擋介質(zhì)材料，并在電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，兩邊阻擋介質(zhì)之間保持一定的空氣間隙，其中一個電極接地，另一電極接工頻交流高壓電源，在適當?shù)氖┘与妷鹤饔孟拢梢栽陔姌O之間產(chǎn)生輝光放電等離子體，通過在腔體的一側(cè)進氣口吹入空氣氣流，可以在另一側(cè)出氣口將放電等離子體引出。
所述的阻擋介質(zhì)材料為聚四氟乙烯等駐極體材料，厚度為0.1~0.5mm，直徑需要大于金屬圓盤電極的直徑，以避免電極邊緣處出現(xiàn)放電。采用駐極體材料作為阻擋介質(zhì)，其表面比其它材料更容易積累電荷而畸變電場，從而可以有效降低放電場強，使得輝光放電更容易發(fā)生。
所述的金屬篩網(wǎng)為120#、200#、250#和325#，金屬篩網(wǎng)的直徑與電極直徑相同，且兩者的邊緣保持平齊。在阻擋介質(zhì)與電極間插入金屬篩網(wǎng)，由于篩網(wǎng)的細絲結構可以畸變局部的電場，導致局部放電和電荷注入，有利于初始自由電子的產(chǎn)生，從而降低放電場強，使得輝光放電更容易發(fā)生。
所述的兩邊阻擋介質(zhì)之間的空氣間隙距離為1～4mm。如間隙過大，則放電易轉(zhuǎn)化為不均勻的絲狀放電，不能維持均勻輝光放電。
實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括一個充滿常壓空氣的腔體，腔體上有進氣口和出氣口；腔體內(nèi)固定有兩個平行的金屬圓盤電極，其中一個是動電極，另一個為靜電極，每個電極的內(nèi)表面均覆蓋有聚合物材料的阻擋介質(zhì)，并在金屬圓盤電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，兩邊阻擋介質(zhì)之間保持一定的空氣間隙，靜電極固定在腔體的一側(cè)蓋板上，動電極與一個螺旋測微計連接。
使用時，將兩個平行的金屬圓盤電極，一個接地，另一電極接工頻交流高壓電源，在適當?shù)氖┘与妷鹤饔孟拢梢栽陔姌O之間產(chǎn)生輝光放電等離子體，通過在腔體的一側(cè)進氣口吹入空氣氣流，可以在另一側(cè)出氣口將放電等離子體引出。
本發(fā)明的空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法及裝置，為研究空氣中大氣壓下的輝光放電及其等離子體的產(chǎn)生、特性提供幫助，采用容易實現(xiàn)的工頻高壓電源即可在空氣中常壓下產(chǎn)生均勻穩(wěn)定、大面積的低溫等離子體，避免了低氣壓等離子體的真空系統(tǒng)的額外成本，并可提高工作的可靠性和穩(wěn)定性，可廣泛用于電氣、電子、材料、化工、環(huán)保等許多領域。


圖1為本發(fā)明的裝置的結構示意圖，圖1中的符號表示1、腔體；2、靜電極；3、動電極；4、阻擋介質(zhì)；5、螺旋測微計；6、接地端；7、進氣口；8、進氣微調(diào)；9、出氣口；10、出氣微調(diào)；11、氣壓表；12、密封墊。
圖2為本發(fā)明的裝置的電極示意圖，圖2中的符號表示13、金屬圓盤電極；4、阻擋介質(zhì)；14、金屬篩網(wǎng)。
圖3為本發(fā)明的裝置當阻擋介質(zhì)為0.5mm厚PTFE時的放電圖像，其中(a)采用120#金屬篩網(wǎng)，(b)采用200#金屬篩網(wǎng)，(c)采用250#金屬篩網(wǎng)，(d)采用325#金屬篩網(wǎng)。
圖4為本發(fā)明的裝置的介質(zhì)阻擋放電的波形，其中(a)為電壓和電荷量的波形圖，(b)為Lissajous(電壓-電荷量)圖形。
以下結合附圖和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1所示，本發(fā)明的裝置包括一個充滿常壓空氣的腔體1，腔體1上有進氣口7和出氣口9，進氣口7上設有進氣微調(diào)8，出氣口9上設有出氣微調(diào)10；腔體1由有機玻璃制成，具有絕緣性能好、重量輕、透明等優(yōu)點，可以清晰觀察放電等離子體的發(fā)光特性。腔體1為長方體，兩側(cè)有活動蓋板，蓋板與腔體主體間有密封墊12以確保密封，并由螺栓固定。腔體1上還有氣壓表。
腔體1內(nèi)固定有兩個平行的金屬圓盤電極13，其中一個是動電極3，另一個為靜電極2，每個電極的內(nèi)表面均覆蓋有聚合物材料的阻擋介質(zhì)4，并在金屬圓盤電極13與阻擋介質(zhì)4之間放入金屬篩網(wǎng)14，兩邊阻擋介質(zhì)4之間保持一定的空氣間隙，靜電極2固定在腔體的一側(cè)蓋板上，動電極3與一個螺旋測微計5連接，連接接地端6后接地。
靜電極2和動電極3以及螺旋測微計5構成電極間隙可調(diào)節(jié)形式，螺旋測微計5固定在腔體1底部，通過調(diào)節(jié)螺旋測微計5可以準確調(diào)整靜電極2和動電極3之間的間隙距離。
氣流控制部分由進氣口7和出氣口9兩部分組成。進氣口7位于腔體1上端，利用進氣微調(diào)閥8可以準確控制進氣量。
出氣口9位于腔體1下端，正對進氣口7，當出氣口9進氣口7同時打開時，會在放電區(qū)域形成氣流。當進氣口7關閉、出氣微調(diào)閥10打開時，可以利用真空泵將腔體內(nèi)抽成低氣壓，可通過固定在腔體1上的壓力表11監(jiān)視氣壓變化。
參照圖2所示，描述了本發(fā)明的裝置的電極示意圖，在每個電極的內(nèi)表面均覆蓋聚合物阻擋介質(zhì)材料，并在電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，兩邊阻擋介質(zhì)之間保持一定的空氣間隙。
本發(fā)明在實驗室完成一套樣品，可以利用介質(zhì)阻擋放電的形式實現(xiàn)常壓空氣中工頻電壓作用下的均勻輝光放電等離子體，實現(xiàn)簡單，成本低，可靠性高，可用于材料改性、廢氣處理、臭氧合成及放電光源等等離子體物理和化學領域。
參照圖3和圖4，這是本發(fā)明的一個具體的實施例。
從圖3的放電圖像可以看出，采用PTFE作為阻擋介質(zhì)時，間隙上下靠近介質(zhì)處的區(qū)域是比較明亮的發(fā)光層，均勻分布在介質(zhì)表面，而間隙中間的發(fā)光強度低，相對亮度比較暗，這與低氣壓下輝光放電的輝區(qū)和暗區(qū)的分布特征是一致的。之所以會出現(xiàn)上下對稱的兩條亮帶，是由于所施加的是交流電壓，上下電極交替為陰極。
從圖4的波形圖可以看出，采用PTFE作為阻擋介質(zhì)，放電電量波形只有一個臺階，Lissajous圖僅由上下兩條平行線組成，這是典型的輝光放電特征波形。根據(jù)圖3和4可判斷放電形式為輝光放電。
權利要求
1.一種空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法，其特征在于，該方法將兩個金屬圓盤電極平行固定在一個充滿常壓空氣的腔體內(nèi)，在每個電極的內(nèi)表面均覆蓋聚合物阻擋介質(zhì)材料，并在電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，兩邊阻擋介質(zhì)之間保持一定的空氣間隙，其中一個電極接地，另一電極接工頻交流高壓電源，在適當?shù)氖┘与妷鹤饔孟?，可以在電極之間產(chǎn)生輝光放電等離子體，通過在腔體的一側(cè)進氣口吹入空氣氣流，可以在另一側(cè)出氣口將放電等離子體引出。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的阻擋介質(zhì)的材料為聚四氟乙烯或其它的駐極體材料。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，金屬篩網(wǎng)的直徑與電極直徑相同，且兩者的邊緣保持平齊。
4.實現(xiàn)權利要求1所述的空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法的裝置，其特征在于，該裝置包括一個充滿常壓空氣的腔體，腔體上有進氣口和出氣口；腔體內(nèi)固定有兩個平行的金屬圓盤電極，其中一個是動電極，另一個為靜電極，每個電極的內(nèi)表面均覆蓋有聚合物材料的阻擋介質(zhì)，并在金屬圓盤電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，兩邊阻擋介質(zhì)之間保持一定的空氣間隙，靜電極固定在腔體的一側(cè)蓋板上，動電極與一個螺旋測微計連接。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述阻擋介質(zhì)的材料選擇聚四氟乙或其它駐極體材料，厚度為0.1～0.5mm，其直徑略大于金屬圓盤電極的直徑。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的金屬篩網(wǎng)的型號為120#、200#、250#或325#，金屬篩網(wǎng)的直徑與金屬圓盤電極直徑相同，且兩者的邊緣保持平齊。
7.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的阻擋介質(zhì)之間的空氣間隙距離為1mm～4mm。
8.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的腔體上還有氣壓表。
9.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的進氣口上設有進氣微調(diào)。
10.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的出氣口上設有出氣微調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空氣中大氣壓下輝光放電等離子體的產(chǎn)生方法及裝置，將兩個金屬圓盤電極平行固定在一個充滿常壓空氣的腔體內(nèi)，在每個電極的內(nèi)表面均覆蓋聚合物阻擋介質(zhì)材料，并在電極與阻擋介質(zhì)之間放入金屬篩網(wǎng)，兩邊阻擋介質(zhì)之間保持一定的空氣間隙，其中一個電極接地，另一電極接工頻交流高壓電源，在適當?shù)氖┘与妷鹤饔孟拢梢栽陔姌O之間產(chǎn)生輝光放電等離子體，通過在腔體的一側(cè)進氣口吹入空氣氣流，可以在另一側(cè)出氣口將放電等離子體引出。本發(fā)明可以利用介質(zhì)阻擋放電的形式實現(xiàn)常壓空氣中工頻電壓作用下的均勻輝光放電等離子體，實現(xiàn)簡單，成本低，可靠性高，可用于材料改性、廢氣處理、臭氧合成及放電光源等等離子體物理和化學領域。
文檔編號H01T23/00GK101013797SQ20071001734
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權日2007年2月2日
發(fā)明者張冠軍, 楊蕓, 董明 申請人:西安交通大學