大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置的制作方法

本发明涉及离子体发生装置技术，尤其涉及一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置。

背景技术：

大气压放电非平衡等离子体技术，对真空系统要求较低，设备投资少，运行功耗低，产生等离子体活性物种浓度高，具有较高的电子温度和较低的离子温度以及接近室温的中性气体温度，在材料表面处理、薄膜沉积、杀菌消毒、污染物处理等领域具有广阔的应用前景。通常，产生大气压冷等离子体的方式有电晕放电、介质阻挡放电、射流等，其中，射流是最常见的产生大气压室温等离子体的方式。

大气压非平衡等离子体射流可以存在于外部开放的空间，很大程度上拓展了非平衡等离子体的应用范围。通常，产生等离子体射流的装置主要由高压电源、射流喷管、高压电极、接地电极和配气系统几个部分组成；电极布置于射流喷管的内部或外部，当惰性气体按照1-15L/min的流量由射流喷管喷出后，在高电压的激励下沿气流导向路径形成放电，并在喷管外部传播形成喷射状等离子体。受制于大气压条件下空气中氧分子、氮分子中振动能级对电子能量的吸收和分子对放电的淬灭，射流等离子体的尺度并不十分理想，其直径一般小于10mm，长度小于100mm，这与昂贵的惰性气体消耗相比，其经济性在应用中很低。

目前，国内外已经开展了为数较多的射流等离子体产生装置的研究。Lu X P等人在Applied Physics Letters中介绍了一种长射流产生装置，该装置将高压电极置于一个单端封口的石英管内，在15L/min的流量下获得了长度约11cm的等离子体射流。专利CN101426327中介绍了一种射流发生装置，射流发生装置的电极采用空心管状，并与电阻和电容串联后与高压电源连接，气流在通过电极区域后被激发并在喷嘴外形成等离子体，该装置具有携带方便，成本低，产生的等离子体气体温度接近室温等特点。专利CN102781157A介绍了一种平面射流等离子体产生装置，主要解决目前射流等离子产生装置中等离子体稳定性差、温度高、面积小、密度和流速分布不均匀的问题，延长了等离子体持续时间，降低了等离子体温度，并扩大了均匀等离子体的面积。

尽管如此，通过对国内外专利和文献的总结，不难发现非平衡等离子体射流均在一个较小的规模上。目前文献中报道的最长的非平衡等离子体射流长度仅为11cm，且配合使用了15L/min的He。通常，非平衡等离子体射流一般采用中频电源、射频电源等连续波电源或者脉冲电源激发。采用连续波电源时，在外界空间电荷和空气中分子对放电淬灭效应的影响下，等离子体射流长度在电压升至一定幅值后很难进一步的延长。相比连续波电压激励，采用脉冲电压激励可减少空间电荷的影响，使射流长度随电压增长停止的阈值增大。但是，过高的电压导致射流管内部拉弧，且容性的电极结构和快速脉冲难以匹配，导致国内外研究中脉冲峰值电压一般在10kV以下。另一方面，流速较高惰性进入空气后易形成湍流导致其快速扩散，使射流长度也很难以超过100mm。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置，该产生装置能提高纳秒脉冲放电的能量注入效率和放电强度，有效增加等离子体射流的尺度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置包括：双极性高压纳秒脉冲电源、电阻耦合螺旋单电极、两级等离子体发生装置和配气系统；

所述两级等离子体发生装置包括初级介质管和次级长管，所述初级介质管为一个或多个，所述次级长管侧壁或者端口设有与初级介质管相配合的一个或者多个引入孔，供等离子体进入和传播，所述初级介质管一端与配气系统连接，另一端与次级长管的等离子体引入孔相配合；所述次级长管为直绝缘管或者任意弯曲的绝缘管；

所述电阻耦合螺旋单电极包括高压螺旋电极和接地电阻，所述高压螺旋电极缠绕在初级介质管外壁上，用来激励工作气体产生初级射流，所述高压螺旋电极与接地电阻并联形成耦合结构后，与双极性纳秒脉冲电源电压输出端连接，高压螺旋电极与接地电阻对脉冲电压进行匹配，以高效的产生初级等离子体射流；

所述双极性高压纳秒脉冲电源的接地端与接地电联。

进一步地，所述高压螺旋电极和初级介质管包裹在绝缘壳体内，以保证安全。

进一步地，所述初级介质管的内径为5-12mm，管壁厚度0.5-1mm，长度50-200mm，由石英或陶瓷等硬质介电材料制成。所述高压螺旋电极缠绕在初级介质管外壁上，高压螺旋电极缠绕圈数可根据电源功率和负载大小调节，最小圈数可以为1，高压螺旋电极金属线截面为圆形或者方形。

进一步地，所述接地电阻阻值大于1MΩ。

进一步地，所述初级介质管不安装接地电极，以避免高电压下电弧等离子体的产生。

进一步地，所述次级长管为直绝缘管或者任意弯曲的绝缘管，长度500-2000mm、内径5-20mm，由石英、陶瓷、有机玻璃或聚四氟乙烯材料制成。

进一步地，所述次级长管侧壁或者端口设有至少1个微收出口。射流等离子体从引入孔进入管内形成大尺度放电。

进一步地，所述次级长管的引入孔设计为桶形或者倒锥形，以保证等离子体及工作气体顺利进入次级长管中，所述引入孔与初级介质管共轴，距初级介质管等离子体喷出端的距离为0-20mm。

进一步地，所述配气系统包括顺次连接的供气装置、流量计、输气管路和气流平滑接口，所述气流平滑接口与初级介质管一端连接。所述输气体管路与初级介质管采用气流平滑接口平顺连接，以避免产生湍流。工作气体为He、Ar等惰性气体或者它们与氮气、氧气、空气的混合气体。

本发明大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置的工作原理：螺旋电极缠绕在初级介质管外壁，与接地电阻耦合对脉冲电压进行匹配，产生初级等离子体射流，等离子体射流和工作气体气流一起经引入孔进入次级长管，并形成大尺度冷等离子体射流。

本发明大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置结构简单、合理、紧凑，与现有技术相比较具有以下优点：

(1)本发明大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置采用高压螺旋电极和接地电阻耦合，提高了纳秒脉冲放电的能量注入效率和放电强度；

(2)本发明初级介质管无地电极，避免了高电压运行时电弧放电的产生；

(3)双极性纳秒脉冲激励有效的减少了空间电荷的影响，进而产生较长的次级射流；

(4)本发明采用初级介质管和次级长管两级结构，可在次级长管中形成长度超过1米，直径超过1.2厘米的大尺度冷等离子体射流，大幅度提升了等离子体射流的经济性。

附图说明

图1为本发明大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置的结构示意图；

图2为次级长管为直管时产生的等离子体射流图像；

图3为初级介质管外壁缠绕高压螺旋电极的结构示意图；

图4为次级长管等离子体引入孔一；

图5为次级长管等离子体引入孔二；

图6为多个侧壁开口次级绝缘长管结构的大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置的结构示意图；

图7为次级绝缘长管为不规则异形管时大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置的结构示意图。

图中：1.双极性纳秒脉冲电源；2.螺旋电极；3.初级介质管；4.接地电阻；5.初级等离子体射流；6.次级长管；7.供气装置；8.流量计；9.输气管路；10.气流平滑接口；11.绝缘壳体；12.引入孔；13.大尺度冷等离子体射流；14.微收出口；15.接地电阻。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

为解决过高的电压导致射流管内部拉弧，容性的电极结构和快速脉冲的匹配等问题和惰性气体进入空气后受湍流影响快速扩散等问题，本实施例公开了一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置，其结构如图1、2、3和4所示，包括：双极性高压纳秒脉冲电源1、电阻耦合螺旋单电极、两级等离子体发生装置和配气系统；

所述配气系统包括顺次连接的供气装置7、流量计8、输气管路9和气流平滑接口10。

所述两级等离子体发生装置包括一个初级介质管3和次级长管6，所述初级介质管3的内径为5-12mm，管壁厚度0.5-1mm，长度50-200mm，可以由石英、陶瓷等硬质介电材料制成，其外壁安装螺旋电极用于激励工作气体以产生初级等离子体射流5。本实施例所述次级长管6为直绝缘管，长度500-2000mm、内径5-20mm，由石英、陶瓷、有机玻璃或聚四氟乙烯材料制成。

所述次级长管6侧壁上设有一个引入孔12，所述次级长管6的引入孔12设计为倒锥形，引入孔12供等离子体进入和传播。所述次级长管6端口设有1个微收出口14。射流等离子体从引入孔12进入次级长管6内形成大尺度放电。所述初级介质管3一端与配气系统的气流平滑接口10连接，以避免产生湍流，另一端与次级长管6的等离子体引入孔12相配合，所述引入孔12与初级介质管3共轴，距初级介质管3等离子体喷出端的距离为0-20mm。所述初级介质管3不安装接地电极，以避免高电压下电弧等离子体的产生。供气装置7的工作气体为He、Ar等惰性气体或者它们与氮气、氧气、空气的混合气体。

所述电阻耦合螺旋单电极包括高压螺旋电极2和接地电阻4，所述螺旋电极2为铜、铁、铝等导电良好的金属线沿介质管壁紧密绕制而成，金属线截面可以为圆形或者方形，截面积0.01mm²-1mm²。所述高压螺旋电极2缠绕在初级介质管3外壁上，用来激励工作气体产生初级射流，所述高压螺旋电极2和初级介质管3包裹在绝缘壳体11内，以保证安全。所述高压螺旋电极2缠绕圈数可根据电源功率和负载大小调节，最小圈数可以为1。高压螺旋电极2与接地电阻4并联形成耦合结构后，与双极性纳秒脉冲电源1电压输出端连接，高压螺旋电极与接地电阻对脉冲电压进行匹配，以高效的产生初级等离子体射流；所述接地电阻阻值大于1MΩ。

所述双极性高压纳秒脉冲电源1的接地端与接地15电联。双极性纳秒脉冲电源1可以在正负方向上交替产生相同的窄脉冲电压波形；脉冲上升时间约为20ns，脉宽约为60ns，脉冲峰值电压0-40kV,脉冲重复频率0-1kHz范围内连续可调。

本实施例大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置的工作原理：通过打开供气装置7，调节流量计8将工作气体通往等离子体发生装置中，其中，工作气体为He、Ar或者He、Ar等惰性气体与其它气体的混合气体，流速为0-5L/min。在设置双极性纳秒脉冲电源1的脉冲重复频率后，调节输出脉冲峰值电压至20kV以上，此时工作气体可以在初级介质管3内激发形成初级等离子体射流5，并由初级介质管3末端喷出。随后，初级等离子体射流5和工作气体气流一起经引入孔12进入次级长管6，并在次级长管内继续传播，形成大尺度冷等离子体射13。

实施例2

如图5所示，本实施例公开了一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置，其结构与实施例1基本相同，不同的是本实施例中次级长管的引入孔为桶形。

实施例3

如图6所示，本实施例公开了一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置，其结构与实施例1基本相同，不同的是本实施例中初级介质管3为三根，以形成更大尺度的冷等离子体射流，配套的所述次级长管6侧壁设置有三个引入孔12，所述三根初级介质管3分别配合设置在三个引入孔12中。

实施例4

如图7所示，本实施例公开了一种大尺度脉冲冷等离子体射流产生装置，其结构与实施例1基本相同，不同的是本实施例中次级长管6为弯曲的绝缘管。弯曲的绝缘管上设有等离子体引入孔12和微收出口14，从而使大尺度冷等离子体射流13产生于次级长管6内，以便于在弯曲的绝缘管内壁消毒等特殊需求下使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。