專(zhuān)利名稱(chēng)：介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體發(fā)生裝置，具體涉及一種介質(zhì)阻擋放電等離子 體噴流裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，從總體上說(shuō)放電等離子體源有兩類(lèi) 一是低氣壓等離 子體；二是大氣壓等離子體，如電暈放電，介質(zhì)阻擋放電等。還有其 它分類(lèi)方法按等離子體的溫度與電子溫度的關(guān)系，分為平衡等離子體 和非平衡等離子體；按等離子體溫度高低，分為高、低溫等離子體，并分別具有不同特點(diǎn)和性能，應(yīng)用也不同?，F(xiàn)有等離子體噴流裝置主要分 以下四種(1)交流非平衡等離子體噴流裝置如圖1所示，Yong Cheol Hong etal. "Microplasma jet at atmospheric pressure" Appl Physics Letter 89， 221504 (2006)中，描述了一種大氣壓下 以氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w產(chǎn)生等離子噴流的裝置，該裝置包括高壓電極3、接 地電極15、介質(zhì)圓片16、外介質(zhì)容器14和電源(交流)10，高壓電極3 和接地電極15由介質(zhì)圓片16隔開(kāi)，并共同裝于外介質(zhì)容器14內(nèi)，電源(交 流)10連接高壓電極3和接地電極15;工作時(shí)，電源(交流)IO調(diào)至高 壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的流量速度向外介質(zhì)容器14輸入工作氣 體(氮?dú)?6，在高壓電極3和接地電極15間進(jìn)行放電產(chǎn)生等離子體，并 從出氣端口4以約255米/秒的速度噴射出等離子體噴流5，等離子體噴流5長(zhǎng)度6.5厘米，宏觀溫度接近室溫。由于高壓電極3和接地電極15都與 等離子體噴流5直接接觸，而且容易發(fā)生弧光放電，具體應(yīng)用時(shí)不安全。如圖2所示，類(lèi)似的裝置還有Jialing Zhang etal. "A novel cold plasma jet generated by atmospheric dielectric barrier capillary discharge" thin solid films 506(2007))中描述的一種產(chǎn)生低溫等離子體噴流的裝置，該裝置 包括高壓電極3、接地電極15、外介質(zhì)容器14、氣體調(diào)控開(kāi)關(guān)8和電源(交 流)10。高壓電極3為鎢材料電極，位于外介質(zhì)容器14中央并與電源(交 流)IO連接，接地電極15緊貼外介質(zhì)容器14外壁，工作氣體6從進(jìn)氣端 口7進(jìn)入，由氣體調(diào)控開(kāi)關(guān)8控制其流量，操作時(shí)產(chǎn)生等離子體噴流5。 該裝置不足之處在于高壓電極3裸露在外部空間中，并與等離子體噴流5 直接接觸，具體應(yīng)用時(shí)不安全。(2)射頻非平衡等離子體噴流裝置如圖3所示，E stoffels etal."Plasma needle for in vivo medical treatment:recent developments and perpectives" Plasma Source Sci. Technol. 15 (2006)中，描述了一種射頻等離子體針裝置，該裝置包括高壓電極3、 外介質(zhì)容器14、介質(zhì)管l、電源(射頻)10。電源10為10兆赫茲的射頻 電源，與高壓電極3相連。高壓電極3為直徑0.3毫米的鎢絲，放置于直 徑4毫米的介質(zhì)管1中央，頂端不包含于介質(zhì)管l中，裸露于外部空間中， 并與介質(zhì)管1一起由底座兼通氣結(jié)構(gòu)17固定于外介質(zhì)容器14中央，工作 氣體6從進(jìn)氣端口7輸入。操作時(shí)能產(chǎn)生相應(yīng)直徑為2. 5毫米的等離子體 噴流5。但是，該裝置的高壓電極3頂端部分暴露于外部空間中，并與等 離子體噴流5直接接觸，具體應(yīng)用時(shí)不僅不安全，而且產(chǎn)生的等離子體 噴流5長(zhǎng)度短、溫度較高，距離高壓電極3尖端1.5毫米和2.5毫米處的等 離子體噴流5溫度分別為90攝氏度和50攝氏度。(3) 微波非平衡等離子體噴流裝置 由于采用磁電管微波發(fā)生器產(chǎn)生等離子體裝置結(jié)構(gòu)程序復(fù)雜，產(chǎn)生的等離子體噴流溫度高，長(zhǎng)度短，具體應(yīng)用范圍相對(duì)較窄，不詳細(xì)介紹。(4) 脈沖直流非平衡等離子體噴流裝置如圖4所示，采用脈沖直流電源進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體是最近比較熱門(mén)的研究方向。Xinpei Lu etal. "Dynamics of an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecond voltage pulses，，J Appl.Phys 100. 063302(2006)中，描述了一種等離子體筆裝置，該裝置包括高壓電 極3、接地電極15、外介質(zhì)容器14、介質(zhì)圓片16、介質(zhì)圓環(huán)18、電源(脈 沖直流)10。高壓電極3和接地電極15均為相同尺寸的圓環(huán)，分別粘貼 于兩塊介質(zhì)圓片16上，之間隔有介質(zhì)圓環(huán)18，并一起位于外介質(zhì)容器14 前端。工作氣體6為氦氣，電源10為脈沖直流電源。操作時(shí)能產(chǎn)生5厘米 長(zhǎng)的等離子體噴流5，等離子體噴流5宏觀溫度接近室溫。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng) 通入的工作氣體6為氦氣混合0. 75%氧氣的混合氣體，脈沖直流電壓5. 3 千伏，脈沖頻率5千赫茲，脈寬500納秒時(shí)，產(chǎn)生的等離子體噴流5中富 含氧原子等活性成份，在殺菌消毒等具體應(yīng)用中效果明顯，見(jiàn)LaroussiM etal. "Inactivation of Bacteria by the plasma pencil" plasma process.polym. (2006)。高壓電極3與接地電極15之間雖隔有介質(zhì)，但由于距離很近，間 隙0.3 1厘米，高壓下環(huán)孔間容易發(fā)生弧光放電，具體應(yīng)用時(shí)不安全。 如上所述，現(xiàn)有裝置都各自存在類(lèi)似的不足，比如高壓電極放置 不妥，有的直接全部裸露或頂端部分裸露于外部空間中，并與等離子體 噴流直接接觸；高壓電極和接地電極距離較近，空間存在直接相連途徑， 高壓下容易發(fā)生弧光放電；放電工作氣體源單一或只能是混有其他氣體 的混合氣體，等離子體噴流中活性成份種類(lèi)及數(shù)量少；產(chǎn)生的等離子體噴流長(zhǎng)度短、溫度高，并且難以實(shí)現(xiàn)大面積大規(guī)模具體應(yīng)用。這些因素 都大大的限制了現(xiàn)有等離子體噴流技術(shù)及裝置的廣泛應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，目的在于產(chǎn)生長(zhǎng) 距離、低溫、富含活性成份的等離子體噴流，并且電極位置安全，適用 于多種氣體放電。本發(fā)明的一種介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，包括工作氣體源、 電源、高壓電極、介質(zhì)管，其特征在于所述介質(zhì)管為空心管，并與工 作氣體源連通；所述高壓電極內(nèi)嵌于介質(zhì)管的管壁內(nèi)或者套于介質(zhì)管的 管壁外，并與電源連接；高壓電極套于介質(zhì)管管壁外時(shí)，與介質(zhì)管共同 位于保護(hù)套管內(nèi)。所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，所述介質(zhì)管或保護(hù)套管頂 端可以具有噴嘴，噴嘴開(kāi)口端可以為圓孔、扁平形孔、圓錐形孔、弧形孔、喇叭形孔或多邊形孔。所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，構(gòu)成所述介質(zhì)管的空心管 可以為單孔或多孔，所述單孔或多孔中各孔的徑向截面可以為圓形、橢 圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述高壓電極形狀與介質(zhì)管的孔形狀擬 合，嵌套于各孔外的管壁內(nèi)。所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，所述保護(hù)套管兩端封閉，封閉端可以開(kāi)有單孔或多孔，所述單孔或多孔中各孔的徑向截面可以為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述介質(zhì)管截面形狀與保護(hù)套 管兩端的孔的形狀擬合。所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，所述電源可以為交流電 源、脈沖直流電源或者射頻電源。本發(fā)明高壓電極內(nèi)嵌于介質(zhì)管的管壁內(nèi)或者套于介質(zhì)管的管壁外， 高壓電極套于介質(zhì)管管壁外時(shí)與介質(zhì)管共同位于保護(hù)套管內(nèi)，這樣實(shí)際 應(yīng)用時(shí)不僅安全而且可以避免發(fā)生弧光放電。工作氣體可以是氦氣、氬 氣、氮?dú)?、氧氣等單質(zhì)氣體或混有其他氣體的混合氣體，也可以是空氣、 氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī)物等，不僅有利于增加等離子體噴流中活性成份 的種類(lèi)和數(shù)量，同時(shí)也可以很好的避免發(fā)生弧光放電。本發(fā)明工作時(shí)， 可以用調(diào)控開(kāi)關(guān)控制工作氣體進(jìn)入進(jìn)氣端口的流量，工作氣體充滿(mǎn)于介 質(zhì)管中；施加高壓時(shí)，通過(guò)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體，并分布于介質(zhì) 容器內(nèi)部及外部的空間中。產(chǎn)生的等離子體噴流的長(zhǎng)度、粗細(xì)、溫度和 數(shù)量均可調(diào)整。本發(fā)明易制作、好維護(hù)、使用方便、成本低、便攜性好，克服了現(xiàn) 有裝置所存在的局限性，使介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流向空間長(zhǎng)距離延 伸、集中或開(kāi)放，同時(shí)噴射出來(lái)的等離子體屬于非熱力學(xué)平衡的低溫等 離子體。根據(jù)不同的具體應(yīng)用，選擇不同的驅(qū)動(dòng)電源和不同的工作氣體， 噴射出來(lái)的等離子體噴流溫度可以改變，可以低于室溫、接近室溫或高 于室溫。同時(shí)噴射出來(lái)的等離子體噴流可以具有多種形狀，其中含有的 活性物質(zhì)成份的種類(lèi)及數(shù)量也可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇，并可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓下大規(guī)模大面積的具體應(yīng)用。因此可以很方便的在常溫常壓下 對(duì)物品或各種異形物品進(jìn)行刻蝕、鍍膜、表面改性、表面冶金和殺菌消 毒等處理，拓寬了等離子體的應(yīng)用范圍，提高了其應(yīng)用效果。


圖l為現(xiàn)有一種交流非平衡等離子體噴流裝置示意圖；圖2為現(xiàn)有另一種交流非平衡等離子體噴流裝置示意圖；圖3為現(xiàn)有射頻等離子體針示意圖；圖4為現(xiàn)有脈沖直流等離子體筆示意圖；圖5為本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明第六個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖ll (a)為一種單孔空心管狀介質(zhì)管的左視圖；圖ll(b)為一種單孔空心管狀介質(zhì)管的軸向剖視圖；圖12(a)為一種多孔空心管狀介質(zhì)管的徑向截面圖；圖12(b)為一種多孔空心管狀介質(zhì)管的軸向剖視圖；圖13(a)為一種兩封閉端各開(kāi)有一孔的保護(hù)套管的左視圖；圖13(b)為一種兩封閉端各開(kāi)有一孔的保護(hù)套管的軸向剖視圖；圖14(a)為一種兩封閉端各開(kāi)有9個(gè)孔的保護(hù)套管的左視圖；圖14(b)為一種兩封閉端各開(kāi)有9個(gè)孔的保護(hù)套管的軸向剖視圖；圖15(a)為形狀為圓孔形噴嘴的徑向截面圖；圖15(b)為形狀為圓孔形嘖嘴的軸向剖視圖；圖16(a)為形狀為扁平孔形噴嘴的徑向截面圖；圖16(b)為形狀為扁平孔形噴嘴的軸向剖視圖；圖17(a)為形狀為圓錐孔形噴嘴的徑向截面圖；圖17(b)為形狀為圓錐孔形噴嘴的軸向剖視圖；圖18(a)為形狀為喇叭孔形噴嘴的徑向截面圖； 圖18 (b)為形狀為喇叭孔形噴嘴的軸向剖視圖； 圖19(a)為形狀為圓弧孔形噴嘴的徑向截面圖； 圖19(b)為形狀為圓弧孔形噴嘴的軸向剖視圖。
具體實(shí)施方式
以下根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖5所示，本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，包括介質(zhì)管l、高壓電極3、 氣體調(diào)控開(kāi)關(guān)8、工作氣體源9、電源IO，介質(zhì)管l為單孔空心管，孔的 徑向截面為圓形，圓環(huán)形高壓電極3內(nèi)嵌于介質(zhì)管1前端管壁內(nèi)，通過(guò)導(dǎo) 線2與電源10連接，介質(zhì)管1與工作氣體源9連通，由氣體調(diào)控開(kāi)關(guān)8控制 工作氣體6的流量。高壓電極3可以是鎢、銅、鋁或不銹鋼等導(dǎo)電性材料。工作氣體6可以是氦氣、氬氣、氮?dú)狻⒀鯕獾葐钨|(zhì)氣體或混有其他 氣體的混合氣體，也可以是空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī)物等。介質(zhì)管l可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化鋁陶瓷等，形狀及 尺寸根據(jù)實(shí)際需要確定。以單質(zhì)氦氣為例，調(diào)節(jié)氣體調(diào)控開(kāi)關(guān)8，以2升/分鐘的流量向進(jìn)氣 端口7通入工作氣體6，圖中箭頭所示為其流動(dòng)方向。高壓電極3通過(guò)導(dǎo)線2接至電源10，選擇交流電源為裝置驅(qū)動(dòng)電源。調(diào)節(jié)電源施加電壓幅值至5千伏，頻率38千赫茲。通過(guò)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體噴流5，距 離出氣端口4，外部空間延伸的等離子體噴流5最長(zhǎng)可達(dá)110毫米，并且溫度接近室溫，人體的手可以直接接觸。輸入氣體流量可為O. 1 100升每分鐘，工作氣體6的流速大小及輸 入均勻性對(duì)等離子體噴流5的形狀有一定的影響。施加交流電壓幅值220 伏 60千伏，頻率50赫茲 13. 6兆赫茲；或者施加脈沖直流電壓幅值220 伏 50千伏，頻率大于或等于50赫茲 100兆赫茲，脈寬大于或等于l納 秒。產(chǎn)生的等離子體噴流長(zhǎng)度可為O. 1 110毫米。圖6為本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；和圖5的第一個(gè)實(shí)施例區(qū)別 在于介質(zhì)管1前端具有噴嘴12，噴嘴12為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，其它標(biāo)記與圖5所示 相同。圖7為本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；和圖5的第一個(gè)實(shí)施例區(qū)別 在于高壓電極3套于介質(zhì)管1外壁，并與介質(zhì)管l共同位于保護(hù)套管ll中， 保護(hù)套管ll兩端封閉，封閉端開(kāi)有單孔，孔的形狀與介質(zhì)管l的截面形 狀擬合。圖7中其它標(biāo)記與圖5所示相同。保護(hù)套管ll可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化鋁陶瓷等，形狀 及尺寸根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定。圖8為本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；和圖7的實(shí)施例區(qū)別在于保 護(hù)套管11前端具有噴嘴12，噴嘴12為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，其它標(biāo)記與圖7所示相 同。圖9為本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；介質(zhì)管l為多孔空心管，各 高壓電極3形狀與介質(zhì)管的孔形狀擬合，嵌套于各孔外的管壁內(nèi)。各高 壓電極3通過(guò)導(dǎo)線2、控制開(kāi)關(guān)13與電源10相連，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)13控制各高壓電極3的通斷來(lái)控制等離子體噴流5的數(shù)量。介質(zhì)管l各孔端口處具有噴嘴12，噴嘴12為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。圖9中其它標(biāo)記與圖5所示相同。 內(nèi)介質(zhì)管l孔的數(shù)量可根據(jù)具體應(yīng)用選擇，本實(shí)施例中為9個(gè)。圖10為本發(fā)明第六個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；和圖7的實(shí)施例區(qū)別在于保護(hù)套管11封閉端開(kāi)有9個(gè)孔，9根介質(zhì)管1截面形狀與保護(hù)套管11兩端 的孔的形狀擬合；各高壓電極3套于各介質(zhì)管1壁外，并與各介質(zhì)管l共 同位于保護(hù)套管ll中。各高壓電極3通過(guò)導(dǎo)線2、控制開(kāi)關(guān)13與電源10相 連，并通過(guò)控制開(kāi)關(guān)13控制各高壓電極3的通斷來(lái)控制等離子體噴流5的 數(shù)量。圖10中其他標(biāo)記與圖7所示相同。圖ll(a)、圖ll(b)所示為一種單孔空心管狀介質(zhì)管，介質(zhì)管l呈圓 形針管狀。圖12(a)、圖12(b)所示為一種多孔空心管狀介質(zhì)管，介質(zhì)管l呈圓 柱狀，開(kāi)有9個(gè)通孔，各孔徑向截面為圓形。圖13(a)、圖13(b)所示為一種兩封閉端開(kāi)有單孔的保護(hù)套管，保護(hù) 套管ll呈空心圓柱狀，孔的徑向截面為圓形。圖14(a)、圖14 (b)所示為一種兩封閉端各開(kāi)有9個(gè)孔的保護(hù)套管， 保護(hù)套管ll呈空心四棱柱狀，孔的徑向截面為圓形。圖15 圖19所示噴嘴為獨(dú)立連接式，并均具有與介質(zhì)管l開(kāi)口端或保護(hù)套管l 1的接口配套、可靠而方便地連接在一起或卸下的接口 。 如圖15(a)、圖15(b)所示，噴嘴5的形狀為圓孔形； 如圖16(a)、圖16(b)所示，噴嘴5的形狀為跑道形； 如圖17(a)、圖17(b)所示，噴嘴5的形狀為圓錐孔形； 如圖18(a)、圖18(b)所示，噴嘴5的形狀為喇叭孔形； 如圖19(a)、圖19(b)所示，噴嘴5的形狀為圓弧形。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，包括工作氣體源、電源、高壓電極、介質(zhì)管，其特征在于所述介質(zhì)管為空心管，并與工作氣體源連通；所述高壓電極內(nèi)嵌于介質(zhì)管的管壁內(nèi)或者套于介質(zhì)管的管壁外，并與電源連接；高壓電極套于介質(zhì)管管壁外時(shí)，與介質(zhì)管共同位于保護(hù)套管內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求l所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特征在 于所述介質(zhì)管或保護(hù)套管頂端具有噴嘴，噴嘴開(kāi)口端為圓孔、扁平形 孑L、圓錐形孔、弧形孔、喇叭形孔或多邊形孔。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特 征在于構(gòu)成所述介質(zhì)管的空心管為單孔或多孔，所述單孔或多孔中各 孔的徑向截面為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述高壓電極'形狀與介質(zhì)管的孔形狀擬合，嵌套于各孔外的管壁內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特 征在于所述保護(hù)套管兩端封閉，封閉端開(kāi)有單孔或多孔，所述單孔或 多孔中各孔的徑向截面為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述 介質(zhì)管截面形狀與保護(hù)套管兩端的孔的形狀擬合。
5. 如權(quán)利要求3所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特征在 于所述保護(hù)套管兩端封閉，封閉端開(kāi)有單孔或多孔，所述單孔或多孔中各孔的徑向截面為圓形、橢圓形、跑道形、矩形或多邊形；所述介質(zhì) 管截面形狀與保護(hù)套管兩端的孔的形狀擬合。
6. 如權(quán)利要求3所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特征在于所述電源為交流電源、脈沖直流電源或者射頻電源。
7. 如權(quán)利要求4所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特征在于所述電源為交流電源、脈沖直流電源或者射頻電源。
8. 如權(quán)利要求5所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，其特征在于所述電源為交流電源、脈沖直流電源或者射頻電源。
全文摘要
介質(zhì)阻擋放電等離子體噴流裝置，屬于等離子體發(fā)生裝置，目的在于產(chǎn)生長(zhǎng)距離、低溫、富含活性成份的等離子體噴流，并且電極位置安全，適用于多種氣體放電。本發(fā)明包括工作氣體源、電源、高壓電極、介質(zhì)管，介質(zhì)管為空心管，并與工作氣體源連通；高壓電極內(nèi)嵌于介質(zhì)管的管壁內(nèi)或者套于介質(zhì)管的管壁外，并與電源連接；高壓電極套于介質(zhì)管管壁外時(shí)，與介質(zhì)管共同位于保護(hù)套管內(nèi)。本發(fā)明易制作、好維護(hù)、使用安全方便，工作氣體范圍廣，等離子體噴流溫度、長(zhǎng)度、粗細(xì)及數(shù)量均可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步拓展了等離子體技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高了其應(yīng)用效果。
文檔編號(hào)H05H1/26GK101232770SQ20081004679
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者盧新培, 垣 潘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)