一种基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置

1.本发明属于放电等离子体发生方法领域，涉及一种基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置，用于生成大间距高活性等离子体，也可用于臭氧产生、废气处理、杀菌消毒、粉体材料改性、能源化工和土壤修复等领域应用。


背景技术：

2.大气压放电等离子体具有活性粒子种类丰富和适用范围广等优点，近年来在臭氧生成、杀菌消毒、粉体材料改性和污染土壤修复等领域受到学者们的广泛关注。体介质阻挡放电作为大气压等离子体的主要产生方式，由于活性粒子密度低、放电气隙小，严重制约其规模化工业应用。因此，研究在宽间距条件下产生高活性等离子体方法具有重要应用价值。基于气体放电理论，提高放电种子电子密度能促进电子雪崩发展，增强放电等离子体强度，有效提高等离子体活性。
3.对比文件1(一种增强大气压放电等离子体强度的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极、制备方法及其应用，李杰等，发明专利，授权公告号：cn 106793436 b)公开了一种在等离子体放电结构中的金属镍阴极上形成氧化镍-氧化镁氧化层，诱导金属镍中电子在场致发射作用下穿过氧化层作为种子电子，增强大气压放电等离子体强度。文件2(面阵滑闪火花预电离组合放电电极，李国富等，授权公告号cn 102545006 b)公开了一种利用在阴极针处产生滑闪放电诱导强烈的紫外光为放电空间提供种子电子，增强空间放电等离子体强度。文件3(一种强电晕预电离装置，梁勖等，授权公告号cn 111952824 b)公开了一种利用电晕放电产生预电离效应，增强电晕强度。然而，上述方法提供的种子电子数目有限，导致放电等离子体强度增强效果受限。文件4(experimental investigation on large-area dielectric barrier discharge in atmospheric nitrogen and air assisted by the ultraviolet lamp[j].spectrochimica acta part a:molecular and biomolecular spectroscopy,zhang yan et al.2009,72(3):460-464.)介绍了一种利用紫外线产生预电离，为主放电提供种子电子，增强放电等离子体强度。文件5(pre-ionization methods for atmospheric pressure discharge controlled by dielectric barrier[c].ieee conference on electrical insulation and dielectric phenomena.zhan huamaoetal.2006:287-289.)利用等离子体射流产生预电离提供种子电子，增强放电等离子体密度。上述两种方法均需要额外的装置提供种子电子，增加了放电系统的复杂性。


技术实现要素：

[0004]
为解决现有技术存在的上述问题，本发明从放电机制出发，以放电结构为基础，提出一种基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置。通过共面放电产生预电离效应，增加体介质阻挡放电初始种子电子数量，降低起始放电电压和稳定运行电压，促进电子雪崩发展，产生更多等离子体通道，增强放电等离子体强度。同时在另一端电极上施加与前一端极性相同的电压，利用两端电极上大的电势差，显著增强空间气隙瞬态电场。在大量种子
电子和瞬态强电场共同作用下实现大间隙、高活性体介质阻挡放电发生。
[0005]
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006]
一种基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置，所述的面-体耦合放电等离子体装置包括等离子体电源系统和由其激励的面-体耦合放电装置。所述的面-体耦合放电装置包括毛细管共面放电阵列、平板式共面放电阵列、条形管共面放电阵列、金属板电极或介质板电极。所述的等离子体电源在激励毛细管共面放电阵列电极或者平板式共面放电阵列电极或者条形管式共面放电阵列电极时，采用脉冲电源或交流电源，可诱导共面放电产生，使等离子体中高密度的电子作为体介质阻挡放电的初始种子电子；在激励单独金属板电极时采用采用脉冲电源、交流电源或直流电源；在激励介质板电极时采用脉冲电源、交流电源或直流电源；所述的面-体耦合放电装置可不通入气体使用也可根据需求通入不同种类气体。
[0007]
所述的基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置可以为两端电极均产生共面放电提供种子电子的结构，也可以是一端电极产生共面放电实现预电离效应，为空间气隙放电提供初始种子电子，另一端接地或者施加电压为气隙提供强电场；两端电极放电气隙间距范围为0.1-50mm，两端电极的驱动电压极性相反或者两端电压存在相位用以增大空间气隙瞬态电场，用以产生空间气隙主放电。对于两端电极均能产生共面放电结构：其两端电极可分别为两个相同毛细管共面放电阵列；也可是两端为平板式共面放电阵列；也可两端为条形管共面放电阵列，也可一端是毛细管共面放电阵列，一端是平板式共面放电阵列；也可一端是毛细管共面放电阵列，一端是条形管共面放电阵列；也可一端是平板式共面放电阵列，一端是条形管共面放电阵列。对于一端电极产生共面放电预电离效应该装置也可是一端为毛细管共面放电阵列或者平板式共面放电阵列或者条形管共面放电阵列，另一端为金属板电极或者介质板电极。
[0008]
所述的面-体耦合放电等离子体装置通入的气体根据不同的需求也可不同，如在脱除有机废气时，可通入一定量氧气或者水蒸气，用以生成有助于脱除污染物的活性物质(如羟基、氧原子、含氧活性粒子和臭氧)，提高污染物脱出效率。进一步的，所述的毛细管共面放电阵列由高压毛细管电极和低压毛细管电极交错紧贴并排组成，其中，高压毛细管电极通过导线连接等离子体电源系统的电源高压端，低压毛细管电极与地线连接作为接地毛细管电极，在电压作用下产生共面放电；通过增加高压毛细管电极和接地毛细管电极数量提高放电区域大小。
[0009]
进一步的，所述的平板式共面放电阵列为在介质平板内部按一定间距交错放置金属高压电极和接地电极；所述的金属高压电极与等离子体电源系统的电源高压端连接，接地电极与地线连接，在电压作用下产生共面放电；通过增加金属高压电极和接地电极数量提高放电区域。
[0010]
进一步的，所述的条形管共面放电阵列由条形管高压电极和条形管接地电极交错紧贴并排组成；所述的条形管放电阵列高压电极与等离子体电源系统的电源高压端连接，条形管接地电极与地线连接，在电压作用下产生共面放电；通过增加高压条形管电极和条形管接地电极数量提高放电区域大小。
[0011]
进一步的，所述的高压或低压毛细管电极为绝缘介质材料做成，毛细管直径范围为1-50mm，壁厚范围为0.1-10mm，毛细管内部填充金属棒电极或者金属粉末用以导电。
[0012]
进一步的，所述的平板式共面放电电极为绝缘介质材料做成，内置金属电极可为圆棒形或者条形；平板介质厚度范围为1-50mm，圆棒形金属直径范围为1-30mm，条形金属宽度范围为1-30mm，条形金属厚度范围为1-30mm；内部金属电极间距范围为1-30mm；平板介质长和宽根据需要可选用不同尺寸。
[0013]
进一步的，所述的条形管电极为绝缘材料组成，条形管电极截面尺寸中宽度范围为1mm-50mm，厚度范围为1mm-50mm，条形管壁厚范围为0.1-10mm，条形管内部填充金属棒或者金属粉用以导电。
[0014]
进一步的，所述的脉冲电源包括正脉冲、负脉冲、双极性脉冲。
[0015]
本发明的有益效果为：本发明在单个放电等离子体装置内，利用共面放电为体介质阻挡放电提供大量初始种子电子，从放电等离子体源头上增强放电等离子体强度，为大气压等离子体放电在臭氧生成、环境化工、生物医学、材料处理等领域提供参考。
附图说明
[0016]
图1是毛细管电极阵列-毛细管电极阵列的面-体耦合放电等离子体装置示意图；
[0017]
图2是毛细管电极阵列-金属板的面-体耦合放电等离子体装置示意图；
[0018]
图3是毛细管电极阵列-介质板的面-体耦合放电等离子体装置示意图；
[0019]
图中：1负脉冲电源；2导线；3高压毛细管电极；4接地毛细管电极；5正脉冲电源；6金属板电极；7绝缘介质板电极。
具体实施方式
[0020]
下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。
[0021]
实施例1
[0022]
一种基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置的实施例，如图1所示为由两个毛细管共面放电阵列构成的面-体耦合放电等离子体装置，该结构是将铜粉填充进毛细管内部(毛细管长50mm，外径为1mm，壁厚为0.1mm)，用以制成毛细管电极，将5根毛细管电极分别用长100mm导线2连接负脉冲电源1，作为高压毛细管电极3，同时将5根毛细管电极分别用长100mm导线2连接地线，作为接地毛细管电极4；将制成的5根高压毛细管电极和5根接地毛细管电极交错并排紧贴放置构成毛细管共面放电阵列，并用导线分别将5根高压毛细管电极和5根接地毛细管电极并联连接，在负脉冲电压作用下产生共面放电，并将该毛细管共面放电阵列作为体介质阻挡放电装置的上端电极。针对另一端电极利用相同的方法，将填充铜粉的毛细管电极用长100mm导线连接正脉冲电源5，作为高压毛细管电极，同时将一些毛细管用长100mm导线连接地线，作为接地毛细管电极；也将该5根高压毛细管电极和5根接地毛细管电极交错并排紧贴放置构成毛细管共面放电阵列，用导线分别将相同的高压毛细管电极和接地毛细管电极并联连接，在正脉冲作用下产生共面放电，并将该毛细管共面放电阵列作为体介质阻挡放电装置的下端电极。将上面制成的毛细管共面放电阵列电极正对5mm放置，构成基于种子电子生成的面-体耦合放电等离子体装置，利用两端毛细管共面放电结构在产生大面积等离子体，为体介质阻挡放电提供大量种子电子的同时；也利用电极两端正负脉冲极性相反的电势在空间气隙产生瞬态强电场，综合大量种子电子和瞬态强电场共同作用形成大气隙高活性等离子体。
[0023]
实施例2
[0024]
如图2所示，可以将实施例1中的下端毛细管共面放电阵列电极不变，将其上端的毛细管共面放电阵列电极换成金属板电极6，将金属板电极6通过导线与负脉冲电源连接，利用下端毛细管阵列产生共面放电，为体介质阻挡放电提供大量种子电子，同时在两端反相脉冲产生的瞬态强电场作用下，形成大间距高活性耦合放电等离子体。
[0025]
实施例3
[0026]
如图3所示，可以将实施例1中的下端毛细管共面放电阵列电极不变，将其上端的毛细管共面放电阵列电极换成介质电极，将金属板电极6和绝缘介质板电极7紧紧贴合组成介质电极，通过导线连接金属板电极6和负脉冲电源，利用下端毛细管阵列产生共面放电，为体介质阻挡放电提供大量种子电子，同时在两端反相脉冲产生的瞬态强电场作用下，形成大间距高活性耦合放电等离子体。
[0027]
实施例4
[0028]
将实施例1中的毛细管换成长
×
宽
×
厚为50
×1×
1mm的条形管(壁厚0.1mm)，内部填入铜粉用以导电，制作为高压条形管电极和接地条形管电极，按实施例1中同样的方法将高压条形管电极和接地条形管电极交错紧贴放置组成条形管共面放电阵列，将两阵列作为体介质阻挡放电两端电极构成面-体耦合放电装置，从左端通入气体，右端排出气体，同时两端阵列电极也分别采用正脉冲和负脉冲激励。利用两端条形管共面放电阵列结构在产生大面积等离子体，为体介质阻挡放电提供大量种子电子的同时；也利用电极两端正负脉冲极性相反的电势在空间气隙产生瞬态强电场，综合大量种子电子和瞬态强电场共同作用形成大气隙高活性等离子体。
[0029]
实施例5
[0030]
将实施例1中两端的毛细管共面放电阵列换成平板式共面放电阵列，该平板式共面放电阵列为在一块长
×
宽
×
厚为50
×
50
×
5mm介质板内部每相距2mm交错嵌入长为40mm、直径为2mm的圆棒形高压金属电极和接地金属电极，总共放入5根高压金属电极和5根接地金属电极，构成平板式共面放电阵列，同时两端阵列电极也分别采用正脉冲和负脉冲激励。利用两端平板式共面放电阵列结构在产生大面积等离子体，为体介质阻挡放电提供大量种子电子的同时；也利用电极两端正负脉冲极性相反的电势在空间气隙产生瞬态强电场，综合大量种子电子和瞬态强电场共同作用形成大气隙高活性等离子体。
[0031]
以上所述实施例仅代表本发明的实施方式，但并不能理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范畴。