一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置

1.本发明涉及等离子体材料处理技术领域，具体涉及一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置。


背景技术：

2.大气压等离子射流技术具有温度低、化学活性高、可控性好、表面处理操作简单、无废弃物及无污染等显著优点，常用于一些材料及形状复杂工件的表面处理，已显示出独特的应用优势。随着对大气压等离子体射流技术的深入研究，该技术在材料表面处理及刻蚀等方面正发挥着越来越重要的作用，应用范围越来越广。但单个射流单元产生的等离子体体积较小，其处理面积一般不超过几平方毫米，不能满足大面积材料表面处理的需求，为了产生更适应实际应用的较大面积的射流源，研究者们对射流放电进行大尺度扩展，以多个小尺度的射流为基本单元，将它们并联排列起来获得较大面积等离子体，用来增大处理材料的面积。等离子体射流阵列也是本研究的重点。等离子体通常分为高温等离子体和低温等离子体，其中低温离子体具有较高的电子温度和较低的气体温度，这种等离子体中存在较多的活性粒子，且活性强，在材料处理方面有着很好的优势，其在材料处理方面的运用也得到了广泛的研究。
3.cao等在“atmospheric plasma jet array in parallel electric and gas flow fields for three-dimensional surface treatment[j].applied physics let-ters,2009,94(2):021501(1-3)”中设计了环-板电极的射流单元，采用石英玻璃管作为介质，外面包裹上一层铜片作为供电环电极，在管口外放置一板电极作为接地电极，将10个射流单元紧密排列在磁带盒中组成一维射流阵列，利用高频高压交流电源驱动在he流量为4l/min(标准状态)、外加电源频率为30khz时，产生了稳定的射流阵列。
[0004]
j kim等在“atmospheric-pressure mi-croplasma jets from linear arrays of hollow-core optical fibers for biomedical applications[j].ieee transactionson plasma science,2011,39(11):2958-2959”设计了环电极结构的射流单元，采用空心光学纤维作为介质，外面缠上一层铜带作为供电环电极，将5个射流单元彼此间隔2.5mm平行排列组成射流阵列，利用高频高压交流电源驱动在he流量为100m l/min、外加电压幅值为10kv，频率为30k hz时，产生长度为10mm的稳定的射流阵列。
[0005]
方志等人在“氩气中二维射流阵列的产生与特性研究[.真空科学与技术学报，2016，36(6):672—679.”中使用高频交流激励电源先后在氩气和氦气中实现了7管蜂窝状射流阵列，该阵列的基本单元均采用环－板结构，通过改变气体流速和射流单元之间的间距，成功实现了阵列的一致性。
[0006]
wang等人在“influence of high-voltage electrode arrangement on downstream uniformity of jet array[j].ieee trans plasma sci，2019，47(5):1 926—1 932.”中对基本单元为针
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环结构的3管1维阵列的研究表明，中心射流单元的电场强度显著低于侧边射流单元的电场强度，通过调整中心针电极和侧边针电极的相对位置，
实现了阵列的放电一致性。
[0007]
li等人在“generation of a planar direct-current glow discharge in atmospheric pressure air using rod array electrode[j].sci rep，2017,7(l):2 672—2679”中用直流电源作为列阵的激励电源，使用自来水作液体地电极，将3根直径为1mm的钨棒作为高压电极放在距离水面一定距离的线上。发现在高压电极与水电极的间距足够大时，各电极之间的放电通道将从相互排斥转变为融合放电，解决了阵列放电的离散问题。如上可以看出等离子体射流阵列在结构上具有多种类型，且不同结构，不同电极都会对等离子体的产生造成影响。研究者门也致力于解决现有射流阵列存在的问题。
[0008]
等离子体射流阵列研究主要集中在扩大等离子体射流阵列的作用面积和增强下游作用面的均匀性等方面。因此产生稳定的等离子体射流阵列也是一个关键问题，现有的等离子体射流阵列在稳定性方面还有待提升。虽然大气压等离子体具有结构简单、易于制造、低温发射、化学反应活性高等优点，但其电离程度较低，由于其弱电离放电状态导致的低能量特性限制了其适用性。在材料处理方面，不同的处理工艺对于射流有着不同的要求，拥有较高的能量也是部分材料处理是所需的条件，当所需的要求不同时，这就需要有不同的等离子体发生装置产生符合条件的等离子体射流，现有的射流阵列装置不能根据不同的处理需求产生对应的射流，需要更换等离子体射流发生器及所处环境，操作较为繁琐。这些问题使得射流阵列在处理材料时受到限制。


技术实现要素：

[0009]
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种可以在低电压的时候形成稳定均匀的等离子体射流，实现对材料表面的大面积、均匀处理的射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置。
[0010]
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011]
一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置，包括分气阀、多个输送通道、多个针-环结构等离子体发生器和外部管夹；分气阀设有多个出气孔，多个输送通道的一端分别与多个出气孔连接，多个输送通道的另一端分别与多个针-环结构等离子体发生器连接；多个针-环结构等离子体发生器均安装在外部管夹；多个针-环结构等离子体发生器排列成蜂窝结构。
[0012]
作为一种优选，针-环结构等离子体发生器的数量为七个，外部管夹为圆柱形管体，圆柱形管体设有七个固定孔，七个针-环结构等离子体发生器分别插入七个固定孔内，输送通道的数量为七个，七个输送通道的另一端分别与七个针-环结构等离子体发生器连接。
[0013]
作为一种优选，七个针-环结构等离子体发生器分为一个中心针-环结构等离子体发生器和六个外部针-环结构等离子体发生器，六个外部针-环结构等离子体发生器环绕在中心针-环结构等离子体发生器的外侧，呈正六边形的蜂窝状结构。
[0014]
作为一种优选，针-环结构等离子体发生器包括玻璃管、针电极、针-环连接器和环形接地电极；玻璃管的一端插入固定孔内，玻璃管的另一端向固定孔外延伸；针电极插入玻璃管内，针-环连接器套在玻璃管的一端的外侧，环形接地电极套在玻璃管的另一端的外侧。
[0015]
作为一种优选，玻璃管采用石英玻璃管。
[0016]
作为一种优选，针电极的一端为半径逐渐减小且内部中空的圆锥形结构，针电极的另一端为中空的针形结构。
[0017]
作为一种优选，针-环连接器为内部中空的圆柱形结构，针-环连接器的一端直径大于另一端的直径；针-环连接器的外侧设有连接孔供导线穿过。
[0018]
作为一种优选，分气阀为中空圆柱体，分气阀的一端设有进气孔，进气孔用以将放电气体通入分气阀，出气孔设在分气阀的另一端，出气孔的数量为七个，七个出气孔分别与七个输送通道的一端连接，出气孔用以将放电气体分成多股气流。
[0019]
本发明的工作原理：通过多个针-环结构等离子体发生器排列成蜂窝结构，从而产生稳定的等离子体射流阵列，用以材料处理。通入放电气体(放电气体为纯ar气体)后，接通高压频率可调交流电源产生等离子体射流阵列，当用于处理大面积且所需强度不高的材料时，选择一个较低的电压，此时将产生均匀稳定的等离子体射流阵列，以增大等离子体射流处理材料的效率。对于强度更高的材料处理工艺时，大气压等离子体的气体电离程度较低，无法满足一些处理工艺的需求，本发明的等离子体射流阵列发生装置在这种情况下，无需进行更多的操作，只需增大本装置的输入电压，可使本装置产生的等离子体射流向中心管(中心针-环结构等离子体发生器)耦合，将多个靠近彼此的等离子体射流可以合并起来(将外部针-环结构等离子体发生器产生的等离子体射流合并起来)，以达到增加等离子体发射强度的目的。本发明主要时使用了以氩气(ar)为工作气体的针-环放电结构的等离子体射流阵列，首先针-环结构的等离子体射流单元组成的阵列具有更好的稳定性，其次此等离子体射流阵列可以根据不同的需求改变放电模式，可随意在均匀放电模式和耦合模式间转变，能够满足多种材料处理的要求，提高了等离子体射流阵列的使用效率。
[0020]
总的说来，本发明具有如下优点：
[0021]
1.本发明的一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置，使用针-环结构(针电极和环形接地电极)作为放电电极，由于双电极结构比单电极结构更加稳定，在双电极条件下，当高压电极为针电极时则放电更加稳定，因此，在工作气体为氩气时，本发明的等离子体射流阵列可以产生更为稳定均匀的射流。
[0022]
2.本发明的一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置，可以根据处理材料时不同的加工工艺改变放电模式，根据所需的等离子体射流的需求，可以在均匀放电模式和耦合模式间转变，在等离子体射流阵列增大材料处理面积的同时，通过增大外加电压实现多个彼此靠近的等离子体射流形成耦合(即本发明多个针-环结构等离子体发生器排列成蜂窝结构)，增大大气压等离子体的电离程度，使等离子体的能量可以增加产生强高能等离子体射流，此时产生的等离子体射流比单一射流具有更高的能量以及更多的活性物质，达到材料处理所需条件。
[0023]
3.本发明解决了单个等离子体发生器只能进行单一情况材料处理的问题，可根据需求简单改变条件使同一装置能有多个用途，提高了装置的效率，也使得等离子体射流阵列处理材料运用更加广泛。
附图说明
[0024]
图1为一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置的示意图
[0025]
图2为针-环结构等离子体发生器的结构示意图
[0026]
图3为七个针-环结构等离子体发生器安装在外部管夹时的横截面示意图。
[0027]
图4为实施例一的射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置在输入电压后产生均匀稳定的等离子体射流的示意图。
[0028]
图5为实施例二的射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置在输入电压后形成耦合现象，产生耦合的等离子体射流的示意图。
[0029]
其中，1为进气孔，2为分气阀，3为输送通道，4为针电极，5为环型接地电极，6为外部管夹，7为高压频率可调交流电源，8为针-环连接器，9为玻璃管，10为中心针-环结构等离子体发生器，11为外部针-环结构等离子体发生器。
具体实施方式
[0030]
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
[0031]
实施例一
[0032]
一种射流间耦合的大气压等离子体射流阵列装置，包括分气阀、多个输送通道、多个针-环结构等离子体发生器和外部管夹；分气阀设有多个出气孔，多个输送通道的一端分别与多个出气孔连接，多个输送通道的另一端分别与多个针-环结构等离子体发生器连接；多个针-环结构等离子体发生器均安装在外部管夹；多个针-环结构等离子体发生器排列成蜂窝结构。
[0033]
针-环结构等离子体发生器的数量为七个，外部管夹为圆柱形管体，圆柱形管体设有七个固定孔，七个针-环结构等离子体发生器分别插入七个固定孔内，输送通道的数量为七个，七个输送通道的另一端分别与七个针-环结构等离子体发生器连接。
[0034]
七个针-环结构等离子体发生器分为一个中心针-环结构等离子体发生器和六个外部针-环结构等离子体发生器，六个外部针-环结构等离子体发生器环绕在中心针-环结构等离子体发生器的外侧，呈正六边形的蜂窝状结构。六个外部针-环结构等离子体发生器的横截面呈正六边形，中心针-环结构等离子体发生器位于正六边形的中心。中心针-环结构等离子体发生器的中心与六个外部针-环结构等离子体发生器的中心的距离为3.5mm。
[0035]
针-环结构等离子体发生器包括玻璃管、针电极、针-环连接器和环形接地电极；玻璃管的一端插入固定孔内，玻璃管的另一端向固定孔外延伸；针电极插入玻璃管内，针-环连接器套在玻璃管的一端的外侧，环形接地电极套在玻璃管的另一端的外侧。环形接地电极为宽度为3mm的铜皮，距离石英玻璃管口末端6mm；针电极连接至高压频率可调交流电源的高压端，环型电极连接至高压频率可调交流电源的接地端，等离子体射流在针型高压电极的下部针尖产生。
[0036]
高压频率可调交流电源是电压幅值0-40kv可调的射流等离子体电源，电压源型号为ctp-2000k，电源工作频率在1khz到100khz之间。在本实例中，射流等离子体电源频率为18.5khz，外加电压峰峰值为10kv，在此情况下，等离子体射流阵列可以产生稳定均匀的射流阵列，如图4所示，此时每个玻璃管内等离子体射流各自保持独立，每个玻璃管管内都充满等离子体射流，放电稳定，处于均匀放电模式，在此模式下，可以对材料进行大面积的处理。
[0037]
玻璃管采用石英玻璃管。本实施例中，石英玻璃管的外径为3mm，内径为1.5mm，长
度为45mm。
[0038]
针电极的一端为半径逐渐减小且内部中空的圆锥形结构，针电极的另一端为中空的针形结构。针电极采用7个直径为1.8mm，长度为37mm的不锈钢针组成。
[0039]
针-环连接器为内部中空的圆柱形结构，针-环连接器的一端直径大于另一端的直径；针-环连接器的外侧设有连接孔供导线穿过。用以针电极与高频率可调交流电源的高压端连接。针-环连接器的另一端的内径略大于玻璃管的外径，在玻璃管的一端缠绕四氟乙烯生料带，保证其密封性和可靠性。
[0040]
分气阀为中空圆柱体，分气阀的一端设有进气孔，进气孔用以将放电气体通入分气阀，出气孔设在分气阀的另一端，出气孔的数量为七个，七个出气孔分别与七个输送通道的一端连接，出气孔用以将放电气体分成多股气流。本实施例中，从分气阀进气孔输入的放电气体为纯ar气体，气流量为5slm。
[0041]
ar气从分气阀的进气孔进入，从七个出气孔流向七个输送通道，在输送到七个针-环结构等离子体发生器。
[0042]
实施例二
[0043]
本实施例中，外加电压的峰峰值增大，从10kv增加至11.8kv，此时等离子体射流阵列从稳定状态转换成耦合状态，其发射强度及能量增强。且由图5所示的放电现象可以明显看出，随着外加电压的增大，等离子体射流阵列中中心的射流有着明显的增粗，这是由于周围的等离子体射流向中心偏转从而形成耦合(外部针-环结构等离子体发生器与中心针-环结构等离子体发生器产生的等离子体射流耦合)。使得等离子体射流中心射流的强度显著增加，而外部射流的强度减弱。射流等离子体阵列在强耦合模式下，周围六个玻璃管射流等离子体均被强大的流场耦合到中心管射流中，这是因为随着电压增大，中心玻璃管电场强度大，又由于各个射流单元之间的间距极小时，射流单元放电产生的等离子体也因为流场的强耦合，使得其他玻璃管内的射流等离子体并成了一个中心射流而进行强烈放电现象。且在此状态下，大气压等离子体的电离程度增强。等离子体射流能量增强，此时产生的等离子体射流比单一射流具有更高的能量以及更多的活性物质，其在材料处理方面的应用将更加广泛。
[0044]
本实施例未提及部分同实施例一。
[0045]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。