一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新材料合成、表面工程和高电压放电领域，旨在提高介质阻挡放电效 率和均匀性的技术领域，涉及到一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法，特别涉 及到实现均匀介质阻挡放电装置和方法的关键条件和实现方案一电源谐振频率、放电间隙 与气流流速之间应满足的关系。
【背景技术】
[0002] 在大气压或较高气压条件下的介质阻挡放电（DBD)中，电极之间的绝缘介质可以 抑制电流增长从而获得低功耗、非平衡等离子体。绝大多数条件下，DBD表现为微流光丝状 放电模式。在微流光放电的电极间隙中，发生的快脉冲放电产生大量短寿命活性物种（离 子、自由基、激发态原子和分子）。DBD等离子体的这类化学活性已被广泛应用于材料表面 改性、污染物控制与脱除、医学杀菌等领域，但是丝状放电的不均匀性限制了DBD的进一步 推广应用。为了提高DBD放电效率和均匀性，可以采用以下方法
[0003] (1)采用惰性气体。如纯He气或富含He气的混合气体。由于稀有气体昂贵，并且 容易带来新的杂质，此方法经济性差；
[0004] (2)尽可能减小间隙。此方法不能满足大规模均匀放电，适用性较差；
[0005] (3)采用预电离。此方法中需要有外界能量的溃入，例如紫外灯照射，激励源具有 辐射性，对人体的健康有一定的危害，并且投资大，操作复杂，通用性差；
[0006] 另外在大面积介质阻挡放电中还会产生臭氧、氮氧化物等刺激，有毒气体。这些无 论对人体还是环境都是有害的。
[0007]总而言之，现有这些技术对实现大规模均匀介质阻挡放电的通用性、适用性、经济 性和环保性都不是很理想。因此，亟待一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是：为了解决现有实现大面积均匀介质阻挡放电中的通用性、适用 性、经济性和环保性差等缺点，提供了一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法，可 以在常压的环境下，通过控制放电间隙、放电频率和气流速度来达到大面积均匀介质阻挡 放电的目的，从而解决上述现有技术中种种不足的问题。
[0009] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：提供了一种实现大面积均匀介质阻挡放 电的装置，包括：电源系统、气路系统、介质阻挡放电区、电学测量系统、光谱测量诊断系统 和循环系统。
[0010] 所述的电源系统进一步包括：电压源11和变压器12 ;并且电压源11和变压器12 电连接。
[0011] 所述的气路系统进一步包括：气泵1、阀门2、流量计3、储气室7、循环处理气体系 统8 ;气泵1提供放电气体，并且经过用于控制整个气路状态的阀门2后，其中气路连接用 于显示气体流量的流量计3,经过介质阻挡放电区域后，残余的气体被输送到储气室7里， 储气室7和循环处理气体系统8相连，最后循环系统8将气体输送至气泵1。
[0012] 其中，循环处理气体系统8里面装有工作气体纯化装置，进而将经过纯化后的工 作气体重新利用，达到了节约能源，减少有毒气体的排放，保护环境，提高经济效益的目的。
[0013] 所述的介质阻挡放电区中包括：放电管外电极4、绝缘介质6、放电管中间电极5; 其中，缠绕在放电管外的钨丝作为放电管外电极4,放电装置中用石英玻璃作为绝缘介质 6,细直的钨丝作为放电管中间电极5,并且接地极16。放电管的两端分别接气泵1和储气 室7。根据对放电装置性能的实际需求情况，也可采用平行板电极代替中间电极5和接地极 16,石英玻璃绝缘介质6采用平行板的形式，相对的石英板之间为放电间隙，石英玻璃的绝 缘介质6可选择其它适用于产生介质阻挡放电的绝缘介质材料。
[0014] 所述的电学测量系统进一步包括：示波器13、高压探头14、电流探头15、电脑17; 其中，变压器12的一极与放电管外电极4电连接，变压器12的另一极与放电管中间电极5 电连接。示波器13的一个接口与高压探头14电连接，示波器13的另一个接口与电流探头 15电连接，用于采集电压、电流信号，最后示波器13与电脑17电连接，用于时刻记录放电过 程中电流、电压和频率等信息。
[0015] 所述的光谱测量系统进一步包括：光学透镜10、光谱仪9、电脑17;其中，将光学透 镜10置于放电装置外，并对准放电装置中间部分，被聚集的等离子体发射光谱信息通过光 纤探头收集，并由光纤传输至光谱仪9,通过CCD探测器将光谱信号转变为数字信号被电脑 17采集并处理。
[0016] 本发明还提供了一种实现大面积均匀介质阻挡放电的方法，包括以下步骤：
[0017] 步骤1:按照上述连接好装置后，调节电压，使其能够形成放电，调节放电谐振频 率参数f，并且保持工作气体的流量为〇. 〇 ;
[0018] 其中频率参数f要保持在谐振频率附近。
[0019] 步骤2:保持外界电压和频率不变，逐渐增大工作气体的流量，并通过示波器13和 光谱仪9、电脑17分别记录电学参数的变化和采集放电形成等离子体的光谱信息；
[0020] 步骤3 :根据所得到的电学参数和光谱信息，做出将其最大值归一化后的电导Gn 和同样处理的温度相关函数KJI气流变化的关系图；
[0021] 其中，对于电导Gn，根据介质阻挡放电电路参数的等效电路模型，可知反应器（放
【主权项】
1. 一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置，其特征在于，包括：电源系统，气路系 统，介质阻挡放电区，电学测量系统，光谱测量诊断系统和循环系统； 所述的电源系统进一步包括：电压源（11)和变压器（12);并且电压源（11)和变压器 (12)电连接； 所述的气路系统进一步包括：气泵（1)、阀门（2)、流量计（3)、储气室（7)、循环处理气 体系统（8);气泵（1)提供放电气体，并且经过用于控制整个气路状态的阀门（2)后，其中 气路连接用于显示气体流量的流量计（3)，经过介质阻挡放电区域后，残余的气体被输送到 储气室（7)里，储气室（7)和循环处理气体系统（8)相连，最后循环处理气体系统（8)将气 体输送至气泵（1)，所述的装置有储气室（7)和循环处理气体系统（8); 所述的介质阻挡放电区中包括：放电管外电极（4)、石英玻璃绝缘介质（6)、放电管中 间电极（5);其中，缠绕在放电管外的钨丝作为放电管外电极（4)，放电装置中用石英玻璃 作为绝缘介质（6)，细直的钨丝作为放电管中间电极（5)，并且接地极（16);放电管的两端 分别接气泵（1)和储气室（7);根据对放电装置性能的实际需求情况，也可采用平行板电极 代替中间电极（5)和接地极（16)，石英玻璃的绝缘介质（6)采用平行板的形式，相对的石 英板之间为放电间隙，石英玻璃的绝缘介质（6)可选择其它适用于产生介质阻挡放电的材 料； 所述的电学测量系统进一步包括：示波器（13)、高压探头（14)、电流探头（15)、电脑 (17);其中，变压器（12)的一极与放电管外电极⑷电连接，变压器（12)的另一极与放电 管中间电极（5)电连接；示波器（13)的一个接口与高压探头（14)电连接，示波器（13)的另 一个接口与电流探头（15)电连接，用于采集电压，电流信号，最后示波器（13)与电脑（17) 电连接，用于时刻记录放电过程中电流、电压和频率等信息； 所述的光谱测量系统进一步包括：光学透镜（10)、光谱仪（9)、电脑（17);其中，将光学 透镜（10)置于放电装置外，并对准放电装置中间部分，被聚集的等离子体发射光谱信息通 过光纤探头收集，并由光纤传输至光谱仪（9)，通过CCD探测器将光谱信号转变为数字信号 被电脑（17)采集并处理。
2. -种实现大面积均匀介质阻挡放电的方法，包括以下步骤： 步骤1 :按照上述连接好装置后，调节电压，使其能够形成放电，调节放电谐振频率参 数f，并且保持工作气体的流量为0. 0 ; 其中频率参数f要保持在谐振频率附近； 步骤2 :保持外界电压和频率不变，逐渐增大工作气体的流量，并通过示波器（13)和光 谱仪（9)、电脑（17)分别记录电学参数的变化和采集放电形成等离子体的光谱信息； 步骤3 :根据所得到的电学参数和光谱信息，做出将其最大值归一化后的电导Gn和同 样处理的温度相关函数KJI气流变化的关系图； 其中，对于电导Gn，根据介质阻挡放电电路参数的等效电路模型，可知反应器（放电装 置）的阻抗为
1其中ω为圆频率，CdS等效介质电容，等效电阻为R = V/I， 其中V是电压峰值，I为均方根电流，相应电导为G = 1/Zy 其中，对于温度相关函数Kn，利用玻尔兹曼斜率法计算出等离子体的振动温度Tv和转 动温度?；;则转-振温度相关函数K = Τ/Γν; 步骤4 :根据步骤3所绘制的图，从中确定出上述两条曲线的交点所对应的气流量； 步骤5 :调节工作气体的气流参数； 气流参数Vz，即通过介质阻挡放电装置中电极间隙的气流的流速；气流参数通过转子 流量计⑶控制； 步骤6 :调节电极结构参数D，并确保气流的流速Vz不应小于放电间隙距离与脉冲频率 乘积的四分之一；电极结构参数D，即涉及相对的放电电极之间的放电间隙的间距； 其中，介质阻挡放电的电源谐振频率和放电间隙之间的关系应该与气流流速相互协 调，并符合上述的优化关系，放电的气压、功率、绝缘介质材料、电极形式与上述优化关系互 相匹配实现稳定、持续的大面积均匀介质阻挡放电。
【专利摘要】一种实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和方法，属于新材料合成、表面工程和高电压放电领域。其特征涉及实现大面积均匀介质阻挡放电的装置和相应方法，涉及电极的放电间隙气流流速、专用于产生介质阻挡放电的放电间距，和产生介质阻挡放电的谐振电源谐振频率或脉冲电源的脉冲频率的参数。实现大面积均匀介质阻挡放电的过程中气流的流速、放电间隙的距离以及谐振电源的频率之间的关系符合优化关系，相应的放电装置上安装与上述技术条件相匹配的部件。本发明的效果经济性好，通用性强，操作简单，容易实现大面积均匀介质阻挡放电。克服了现有介质阻挡放电实现大规模均匀性的效率低，设备昂贵，操作复杂等缺点。
【IPC分类】H05H1-24
【公开号】CN104853513
【申请号】CN201510253935
【发明人】牟宗信, 杨富翔, 张家良, 刘升光, 丁洪斌, 孙继忠
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月19日