專(zhuān)利名稱(chēng)：大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣壓冷等離子體發(fā)生器，尤其涉及陣列型大氣壓冷等離子體發(fā)生器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雖然目前在低氣壓條件下可以產(chǎn)生大面積的非平衡冷等離子體，但真空腔的存在，一方面使得設(shè)備的制造和維護(hù)費(fèi)用大大增加，另一方面也限制了被處理工件的幾何尺寸，從而極大地限制了其應(yīng)用范圍。目前，在大氣壓條件下能夠產(chǎn)生的等離子體有兩種，一種是熱等離子體，其特征是氣體溫度往往很高，大約10000K量級(jí)，主要用于等離子體噴涂、切割、焊接、廢物處理、材料表面加工等領(lǐng)域。由于熱等離子體溫度很高，因此，對(duì)于畏熱材料，不能采用其進(jìn)行處理；另一種是冷等離子體，其特征是氣體溫度很低(接近室溫)，但電子溫度很高，因此具有很高的化學(xué)活性，屬于非平衡等離子體。但目前在大氣壓條件下產(chǎn)生冷等離子體的方法主要是電暈放電、介質(zhì)阻擋放電等。采用上述方法產(chǎn)生的冷等離子體往往面積比較小，而且空間分布上很不均勻。近些年提出的大氣壓射頻輝光放電冷等離子體技術(shù)，可以在大氣壓條件下產(chǎn)生比較大面積的均勻放電的冷等離子體。大氣壓射頻輝光放電冷等離子體技術(shù)由于擺脫了昂貴、復(fù)雜的真空系統(tǒng)的限制，在微電子工業(yè)、核工業(yè)(核廢料處理)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、甚至在保障國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域都將有著非常廣闊的應(yīng)用前景，如等離子體刻蝕、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、材料表面改性、清除生化有機(jī)物、放射性廢料處理或者清洗放射性沾染的表面、熱電廠和某些化工廠的脫硫、脫硝、汽車(chē)尾氣處理、醫(yī)療器械的快速消毒滅菌、制藥和食品行業(yè)的消毒、食品保鮮、皮膚病治療等。
當(dāng)該技術(shù)采用同軸型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，氣體沿流動(dòng)方向的放電區(qū)域比較長(zhǎng)，冷等離子體束流比較集中，但束流直徑比較小(一般小于10mm)；若采用平板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且流動(dòng)方向與板面垂直，雖然可以產(chǎn)生多束冷等離子體射流，從而使得冷等離子體射流的總體直徑變大，但沿氣體流動(dòng)方向的放電區(qū)域較短(平板間距一般在0.1-3mm)，且所形成的冷等離子體射流在空間分布上不夠均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的大氣壓射頻放電冷等離子體陣列發(fā)生器，能在大氣壓下穩(wěn)定工作并能沿氣流流動(dòng)方向產(chǎn)生大面積的冷等離子體射流。該陣列型冷等離子體發(fā)生器將為提高等離子體工作效率，實(shí)現(xiàn)大面積、快速高效等離子體刻蝕、薄膜沉積、生化清洗、消毒滅菌、空氣凈化、廢物處理、疾病治療、材料表面改性等成為可能。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種新型的大氣壓射頻冷等離子體陣列發(fā)生器，包括一筒型外殼，該外殼用于將單個(gè)的同軸結(jié)構(gòu)封裝成陣列。在原型裝置中，陣列由三個(gè)相同的同軸發(fā)生器構(gòu)成，采用一個(gè)四通轉(zhuǎn)接口向三個(gè)同軸發(fā)生器分別供氣；三個(gè)同軸發(fā)生器的內(nèi)電極并聯(lián)在一起與射頻電源連接，外電極共地；從外殼尾部通入冷卻氣體，達(dá)到冷卻外電極、控制外電極溫度的目的。
本發(fā)明的特征在于所選陣列發(fā)生器含有筒型外殼，在殼體上有射頻電源連接口、冷等離子體工作氣體入口以及冷卻介質(zhì)(氣體或液體)的進(jìn)出口(如果需要)用多個(gè)單個(gè)的同軸型冷等離子體發(fā)生器組成的發(fā)生器陣列，封裝于所述筒型外殼內(nèi)，所述各單個(gè)的冷等離子體發(fā)生器含有內(nèi)電極，所述各冷等離子體發(fā)生器的內(nèi)電極并聯(lián)后接射頻電源；絕緣支座，外套于所述的內(nèi)電極的電源端；外電極，外套于所述絕緣支座外，在外電極的側(cè)向或者軸向有冷等離子體工作氣進(jìn)入口；所有各冷等離子體發(fā)生器的外電極并聯(lián)后接地。
在所述外殼的殼體上開(kāi)有冷卻介質(zhì)(氣體或液體)進(jìn)出口(如果需要)。
所述射頻電源的頻率為13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0，氣體被擊穿時(shí)的電壓均方根值通常為100～1000伏。
所述筒型外殼是圓柱形、或方形、或橢圓形。
所述的各單個(gè)冷等離子體發(fā)生器是圓柱形、或方形、或橢圓形。
在所述陣列發(fā)生器前端有一個(gè)縮放型噴嘴。
在每個(gè)冷等離子體發(fā)生器前端的冷等離子體出口有一個(gè)縮放型噴嘴。
當(dāng)所述筒型外殼用金屬材料時(shí)，所述各單個(gè)冷等離子體發(fā)生器的各外電極經(jīng)所述筒型外殼接地。
本申請(qǐng)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)采用射頻電源在大氣壓下形成均勻、穩(wěn)定、大面積的射頻放電冷等離子體射流，大大提高了等離子體的工作效率。
(2)噴出的射流溫度較低，通常小于100攝氏度。
(3)射流中含有大量的活性粒子或粒子基團(tuán)。
(4)不但能用氦氣或者氬氣作為工作氣體，還可以添加適當(dāng)比例的其它反應(yīng)氣體或液體成分。
(5)采用13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0的射頻電源來(lái)激勵(lì)放電，擊穿電壓的均方根值通常為100～1000伏，而工作在千赫茲頻率量級(jí)的介質(zhì)阻擋放電的擊穿電壓均方根通常都在千伏量級(jí)(或更高)。
(6)可以根據(jù)需要靈活擴(kuò)展，方便地實(shí)現(xiàn)冷等離子體的大面積應(yīng)用。
(7)可以根據(jù)具體情況選擇氣冷或者水冷。
(8)采用封裝的結(jié)構(gòu)便于實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明采用陣列冷等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以方便地產(chǎn)生大面積、均勻穩(wěn)定的冷等離子體射流。通過(guò)選擇單個(gè)冷等離子體發(fā)生器的數(shù)量，可以方便地控制噴出射流的面積；而在此基礎(chǔ)上采用縮放型通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)一步提高發(fā)生器出口冷等離子體射流的速度，增加冷等離子體射流中活性粒子的有效空間作用范圍。因此，該項(xiàng)技術(shù)的提出將大大地推動(dòng)冷等離子體技術(shù)在等離子體刻蝕、薄膜沉積、生化清洗、消毒滅菌、空氣凈化、廢物處理、疾病治療、材料表面改性等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，顯示其高效、快速的處理能力。


圖1.本發(fā)明所述冷等離子體陣列發(fā)生器的外殼示意圖11縱剖視圖；12側(cè)視圖；13橫剖視圖；圖2.側(cè)向進(jìn)氣的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的的縱剖視圖；圖3.側(cè)向進(jìn)氣的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的縱剖視圖；圖4.側(cè)向進(jìn)氣的、外形為方形的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的示意圖41縱剖視圖；42橫剖視圖；圖5.側(cè)向進(jìn)氣的、外形為方形的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的示意圖；51縱剖視圖；52橫剖視圖；圖6.軸向進(jìn)氣的、外形為方形的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的示意圖；61縱剖視圖；62橫剖視圖；
圖7.軸向進(jìn)氣的、外形為方形的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的示意圖；圖8.三個(gè)側(cè)向進(jìn)氣的同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器的示意圖81縱剖視圖；82橫剖視圖；圖9.三個(gè)側(cè)向進(jìn)氣方式的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖；圖10.采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的、由三個(gè)同軸型的大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器的示意圖1010縱剖視圖；1011橫剖視圖；圖11.采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為方形的、由多個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器在不加外殼時(shí)的示意圖111縱剖視圖；112橫剖視圖；圖12.采用軸向進(jìn)氣的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的、外形為方形的多個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器在不加外殼時(shí)的示意圖121縱剖視圖；122橫剖視圖；圖13.采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的多個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器的示意圖131縱剖視圖；132橫剖視圖。
具體實(shí)施例方式圖1～13給出了該同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體陣列發(fā)生器的幾種典型設(shè)計(jì)。
圖1為外殼結(jié)構(gòu)示意圖，其中標(biāo)號(hào)為11、12、13的三副圖分別表示正面、左側(cè)和俯視的示意圖。101表示冷等離子體工作氣入口，102表示冷卻氣入口，103表示射頻電源連接處。
圖2為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱形的單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。201表示與射頻電源連接的內(nèi)電極，202表示絕緣支座，203表示冷等離子體工作氣入口，204表示外電極。
圖3為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱形的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。205表示與單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器相連接的縮放型通道。
圖4為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為方形的單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，41、42分別表示正面和俯視示意圖。301表示絕緣支座，302表示冷等離子體工作氣入口，303表示外電極。
圖5為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為方形的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器的示意圖，其中標(biāo)號(hào)51、52分別表示正面和俯視示意圖。
圖6為采用軸向進(jìn)氣的、外形為方形的單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，其中標(biāo)號(hào)61、61分別表示正面和俯視示意圖，304表示軸向進(jìn)氣通道。
圖7為采用軸向進(jìn)氣的、外形為方形的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，其中標(biāo)號(hào)71、72分別表示正面和俯視示意圖。
圖8為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的、由三個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖，其中標(biāo)號(hào)81、82分別表示正面和俯視示意圖，1表示外殼，4表示單個(gè)同軸型大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器。
圖9為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器示意圖，其中標(biāo)號(hào)91、92分別表示正面和俯視示意圖，5表示采用縮放型通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器。
圖10為采用側(cè)向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的、由三個(gè)同軸型的大氣壓射頻放電冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器的示意圖，并在其外殼上加裝了縮放型通道，其中標(biāo)號(hào)1010、1020分別表示正面和俯視示意圖，401表示與外殼相連接的縮放型通道。
圖11為采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為方形的、由多個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器在不加外殼時(shí)的示意圖，其中標(biāo)號(hào)111、112分別表示正面和俯視示意圖，6表示采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為方形的單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器。
圖12為采用軸向進(jìn)氣的、采用縮放型通道結(jié)構(gòu)的、外形為方形的多個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器在不加外殼時(shí)的示意圖，其中標(biāo)號(hào)121、122分別表示正面和俯視示意圖，7表示采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為方形的同軸型冷等離子體發(fā)生器。
圖13為由多個(gè)采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的、采用縮放通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成的陣列型冷等離子體發(fā)生器的示意圖，其中標(biāo)號(hào)131、132分別表示正面和俯視示意圖，8表示采用軸向進(jìn)氣方式的、外形為圓柱的同軸型冷等離子體發(fā)生器。
權(quán)利要求
1.大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，所選陣列型發(fā)生器含有筒型外殼，在殼體上有射頻電源連接口以及冷等離子體工作氣體入口用多個(gè)單個(gè)的同軸型冷等離子體發(fā)生器組成的發(fā)生器陣列，封裝于所述筒型外殼內(nèi)，所述各單個(gè)的冷等離子體發(fā)生器含有內(nèi)電極，所述各冷等離子體發(fā)生器的內(nèi)電極并聯(lián)后接射頻電源；絕緣支座，外套于所述的內(nèi)電極的電源端；外電極，外套于所述絕緣支座外，在外電極的側(cè)向或者軸向有冷等離子體工作氣進(jìn)入口；所有各冷等離子體發(fā)生器的外電極并聯(lián)后接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，在所述外殼的殼體上開(kāi)有冷卻介質(zhì)進(jìn)出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，所述射頻電源的頻率為13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0，氣體被擊穿時(shí)的電壓均方根值通常為100～1000伏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，所述筒型外殼是圓柱形、或方形、或橢圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，所述的各單個(gè)冷等離子體發(fā)生器是圓柱形、或方形、或橢圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，在所述陣列發(fā)生器前端有一個(gè)縮放型噴嘴。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，在每個(gè)冷等離子體發(fā)生器前端的冷等離子體出口有一個(gè)縮放型噴嘴。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓射頻放電高速冷等離子體陣列發(fā)生器，其特征在于，當(dāng)所述筒型外殼用金屬材料時(shí)，所述各單個(gè)冷等離子體發(fā)生器的各外電極經(jīng)所述筒型外殼接地。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及大氣壓冷等離子體發(fā)生器領(lǐng)域，其特征在于，含有筒型外殼、用多個(gè)單個(gè)同軸型冷等離子體發(fā)生器構(gòu)成發(fā)生器陣列，該發(fā)生器陣列內(nèi)置于所述的筒型外殼中；在該筒型外殼上開(kāi)有射頻電源接入口和冷等離子體工作氣進(jìn)入口；各單個(gè)冷等離子體發(fā)生器的內(nèi)電極并聯(lián)后接射頻電源，而外電極并聯(lián)后接地，并且開(kāi)有側(cè)向或軸向工作氣入口；在該筒型外殼上還可開(kāi)有冷卻介質(zhì)進(jìn)出口。本申請(qǐng)可方便地產(chǎn)生大面積、均勻穩(wěn)定的冷等離子體射流，該射流的面積也可按選擇單個(gè)冷等離子體發(fā)生器的數(shù)量不同進(jìn)行調(diào)整。
文檔編號(hào)H05H1/24GK1812687SQ20061001136
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者李和平, 包成玉, 王華博, 孫文廷 申請(qǐng)人:清華大學(xué)