专利名称：多级电离产生低能量高密度等离子体的装置及方法
技术领域：
本发明属于等离子体科技领域，涉及一种多级电离产生低能量高密度等离子体的 方法及装置。
背景技术：
大气压非平衡态等离子体射流在燃烧、表面电磁特性改变、材料表面处理等工程 技术领域具有重要应用意义，综合国内外目前研究报道的大气压非平衡态等离子体射流的 一些不足之处，其中大气压射流等离子体形成面积和体积较小的劣势尤为明显(一般集中 在毫米量级)，制约了该技术的广泛应用，实际应用往往需要大面积的等离子体，所以如何 扩大等离子体处理面积也是大气压等离子体射流技术亟待解决的一个问题。研究人员为得 到大面积的大气压非平衡态等离子射流，已经使用了阵列化的等离子射流，但这只是从增 加等离子体射流的数量上来获得更大面积的等离子体，并且仅仅通过增加阵列数量也遇到 了种种难题。采用多级电离的方式，可以扩大等离子体的射流面积，并且，等离子体的电子 密度也得到大幅度提升。
发明内容
技术问题为得到低能量高密度且大面积的等离子，本发明提出了一种多级电离 的方法及装置。每级输入能量均较低，单纯一级的电离作用不能得到均勻、大面积而又有较 高电子密度的等离子体，本发明通过多级电离的方式实现了等离子体射流的均勻、高密度、 大面积化。技术方案本发明的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置有三级电离工作 区域第一级由针尖电极与金属棒电极通过第一高压高频电源形成放电回路；第二级由筒 状金属电极与金属棒电极通过第二高压高频电源形成放电回路，第三级由金属丝网电极与 金属棒电极通过第三高压高频电源组成放电回路；每级
电极均固定在绝缘装置形成的管道上，金属棒电极设在绝缘管道中，并且与绝缘管道 同轴线设置，在金属棒电极与绝缘管道之间形成可以流动气体的环形空间。第一级电离区域为多个针尖电极分别通过电源与金属棒电极形成放电回路，此级 针尖电极至少为一个，第一高压高频电源峰值电压不低于6kV，频率不低于20kHz。第二级电离部分的筒状金属电极其内径为25 30mm，金属棒电极直径为15 20mm，其中筒状电极内壁喷涂有一层高介电系数的高分子材料，这种材料对筒状电极内的 电场起稳定和增强的作用，进而形成介质阻挡放电，第二高压高频电源峰值电压不低于 10kV，频率不低于20kHz。第三高压高频电源峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz。金属棒电极的前端为光滑的半球状，金属丝网电极要有尽量大的展开面积。各针尖电极之间互相绝缘，针尖电极、筒状金属电极，网状电极之间互相绝缘。本发明的多级电离装置产生低能量高密度等离子体方法为将所述装置通入5 50m3/h气体，气体在第一级50 100W电源功率作用下初步电离，初步电离出的等离子体经 第二级50 150W电源功率的电离产生较大密度且较均勻的等离子体，第一、二级电离出的 等离子体经第三级50 150W电源功率的电离与此级对气流的扰动，最终，在低功率输入作 用下喷出电子能量不超过lev、电子密度量级高达1022/m3、截面直径为15 20mm的均勻非 平衡态等离子体射流。气体通过装置第一级的初步电离，产生出电子密度不均的等离子体，此部分等离 子体为第二级的气体电离提供初始电子；在气流的带动下，第一级电离出的等离子体到达 第二级，通过第二级的再次电离，产生了较均勻并且有较大密度的等离子体，此部分等离子 体为第三级的气体电离提供初始电子；在气流的带动下，第一、二级电离出的等离子体到达 第三级，通过第三级的再次电离与此级对气流的扰动，得到均勻、大面积而又有较高电子密 度的等离子体。有益效果
一、等离子体射流面积得到大幅度提升，射流截面直径达到20mm，扩大了实际工程和工 业使用范围和场合；
二、消耗电能少，有效节约能量，所产生的非平衡态等离子体能量低，整体宏观温度与 室温几乎相当，电子温度不超过lev，这不仅避免大功率设备的使用，
同时满足实际工业应用中对低温的非平衡态等离子体的需要；
三、得到均勻且高电子密度的等离子体，电子密度量级高达1022/m3，电子密度高，活性 物种含量多，提高了工业和工程过程的效率和质量。
图1为本发明装置总体结构图，包括各级放电极的位置分布与结构； 图2为放电一级的截面结构图3为放电二级的截面结构图。以上的图中有开关1、第一高压高频电源2、进气口 3、第二高压高频电源4、第三 高压高频电源5、针尖电极6、金属棒电极7、筒状金属电极8、金属丝网电极9、绝缘管道10。
具体实施例方式下面结合图1、图2、图3，对本发明作详细说明
如图1所示，在本装置中通入流量稳定的气体，气体依次通过装置的各放电级，其中第 二级针尖电极以六个为例加以说明。首先，装置通入流量为5 50m3/h的气体并接通第一级高频高压交变电源开关1， 气体通过如图2所示环形通道，六针尖电极6与金属棒电极7分别在六个第一高频高压电 源2的作用下形成放电回路(此级电源峰值电压不低于6kV，频率不低于20kHz)，使通过第 一级放电极的气体在高频高压电源50 100W功率作用下得到初步电离，产生出密度不均 的等离子体，此部分等离子体为第二级的电离提供初始电子；然后，接通第二级高频高压交 变电源开关，如图3所示，内径为25 30mm的筒状金属电极8与直径为15 20mm的金属 棒电极7在第二高频高压电源4作用下形成放电回路(此级的电源峰值电压不低于10kV，频 率不低于20kHz)，第一级电离出的等离子体在第二级50 150W功率作用下得到第二次电离，电离出较均勻并且有较大密度的等离子体，此部分等离子体为第三级的电离提供初始 电子，其中，此处筒状电极内壁喷涂有一层高介电系数的高分子材料，这种材料对筒状电极 内的电场起到稳定和增强的作用，进而形成介质阻挡放电；第三步，接通第三级高频高压交 变电源开关，金属丝网状电极9与金属棒电极7在第三高频高压电源5作用下形成放电回 路(此级的电源峰值电压不低
于10kV，频率不低于20kHz )，经第一、二级电离出的等离子体在第三级50 150W功率 的作用下得到第三次电离，并由于第三级金属棒头对气流的扰动作用，最终，在低功率输入 作用下喷出电子能量不超过lev、电子密度量级高达1022/m3、截面直径为15 20mm的均勻 非平衡态等离子体射流。
权利要求
1.一种多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于该装置有三级电离工 作区域第一级由针尖电极(6)与金属棒电极(7)通过第一高压高频电源( 形成放电回 路；第二级由筒状金属电极(8)与金属棒电极(7)通过第二高压高频电源(4)形成放电回 路，第三级由金属丝网电极(9)与金属棒电极(7)通过第三高压高频电源( 形成放电回 路；每级电极均固定在绝缘管道(10)形成的管道上，金属棒电极(7)设在绝缘管道(10) 中，并且与绝缘管道(10)同轴线设置，在金属棒电极(7)与绝缘管道(10)之间形成可以流 动气体的环形空间。
2.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，第一 级电离区域为多个针尖电极分别通过电源与金属棒电极形成放电回路，此级针尖电极至少 为一个，第一高压高频电源O)峰值电压不低于6kV，频率不低于20kHz。
3.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，第二 级电离部分的筒状金属电极⑶其内径为25 30mm，金属棒电极(7)直径为15 20mm， 其中筒状电极内壁喷涂有一层高介电系数的高分子材料，这种材料对筒状电极内的电场起 稳定和增强的作用，进而形成介质阻挡放电，第二高压高频电源(4)峰值电压不低于10kV， 频率不低于20kHz。
4.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，第三 高压高频电源(5)峰值电压不低于10kV，频率不低于20kHz。
5.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，金属 棒电极(7)的前端为光滑的半球状，金属丝网电极(9)要有尽量大的展开面积。
6.根据权利1所述的多级电离产生低能量高密度等离子体的装置，其特征在于，各针 尖电极之间互相绝缘，针尖电极、筒状金属电极、网状电极之间互相绝缘。
7.一种用于权利要求书1所述的多级电离装置产生低能量高密度等离子体方法，其特 征在于将所述装置通入5 50m3/h气体，气体在第一高压高频电源(幻50 100W功率作 用下初步电离，初步电离出的等离子体通过第二高压高频电源50 150W电源功率的电离 产生较均勻且有较大密度的等离子体，第一、二高压高频电源电离出的等离子体通过第三 高压高频电源50 150W电源功率的电离与此级对气流的扰动。最终，在低功率输入的作 用下喷出电子密度量级高达1022/m3截面直径为15 20mm的均勻非平衡态等离子体射流。
全文摘要
本发明提出了一种多级电离产生低能量高密度等离子体装置及方法。装置分三级第一级由针尖电极与金属棒电极组成，第二级由筒状金属电极与金属棒电极组成，第三级由金属网电极与金属棒电极组成。多级电离产生低能量高密度等离子体方法通入5～50m3/h气体，气体在第一级50～100W电源功率作用下初步电离，初步电离出的等离子体经第二级50～150W电源功率的电离产生较大密度且较均匀的等离子体，第一、二级电离出的等离子体经第三级50～150W电源功率的电离与此级对气流的扰动，最终，在低功率输入作用下喷出电子能量不超过1ev、电子密度量级高达1022/m3、截面直径为15～20mm的均匀非平衡态等离子体射流。
文档编号H05H1/30GK102149247SQ20111008755
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者张基栋, 李森, 顾璠 申请人:东南大学