专利名称：一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体技术领域，特别是涉及一种在多针-板式电极结构下利用双极性纳秒脉冲电源来驱动，在空气及混合气体中获得大面积低温均匀的介质阻挡放电等离子体技术。
背景技术：
传统上，介质阻挡放电等离子体由交流电源驱动，在交流电源驱动下，介质阻挡放电等离子体在大气压空气中实现均匀、弥散放电的条件非常苛刻，容易转化为火花、弧光等放电模式，而且气体温度较高，能量利用率低，对材料表面损害严重，运行成本高等，这些放电的缺点使其在工业应用上受到极大的限制，严重地影响了其在工业上的应用。而在纳秒脉冲放电中，由于纳秒脉冲具有陡峭脉冲电压上升沿和较短脉冲持续时间等特点，使电子在快速上升的电场中得到最大程度的加速，因此纳秒脉冲放电中电子的动力学特性与传统的交流放电存在较大的差别。在相同条件下纳秒脉冲放电可以获得更高的电子温度和能量利用效率。同时，较短的单次脉冲持续时间可以使放电在向局部热力学平衡态转变过程中将放电及时熄灭，利于控制放电的稳定性与非热力学平衡性，更易于在大气压空气中实现稳定的均匀放电，因此，纳秒脉冲放电等离子体具有高能电子密度大、平均电子能量高、产生化学活性粒子和VUV产生效率高等优点。同时采用多针-板式电极结构可以产生大面积的放电等离子体，通过结合纳秒脉冲放电和多针-板式电极结构的优点，可以在大气压下产生大面积均匀的低温放电等离子体，其在食品加工，材料表面处理、薄膜沉积、微生物诱变、饮用水灭菌、有毒有害气体脱除等方面有着重要的应用前景，备受国内外实验室重视。在多针-板式电极结构下利用双极性纳秒脉冲电源来驱动介质阻挡放电可以在空气 及其他混合气体中获得大面积均匀放电的低温放电等离子体，在材料表面处理、薄膜沉积、微生物诱变、饮用水灭菌等领域都具有重要的商业价值和广阔的工业应用前
旦
-5^ O专利CN1927408A解决了在引入平行磁场的基础上，利用单极纳秒脉冲电源产生的介质阻挡放电等离子体去除有害气体，净化效率大幅度的提高。但存在的问题是(I)产生的等离子体是丝状放电；(2)没有具体介绍等离子体特性的诊断方法；(3)没有介绍在无外加磁场作用下产生的放电等离子体。专利CN1559651A和CN2500026Y解决了用脉冲电晕放电产生的等离子体净化有害气体，但存在的问题是电晕放电只发生在尖锐电极附近，仅在一个很薄的电晕层内产生强的电场，产生的平均电子能量在3 eV左右，由于它的平均电子能量低，放电等离子体体积小，放电强度较弱、电子密度较低，在放电空间产生的活性粒子和自由基的数目少，有效处理空间小，因此，这些严重的影响了等离子体对有害气体的净化效率，也使等离子体的实际应用范围受到了很大的限制。
发明内容
为了解决放电等离子体面积小，放电不均匀，能量利用率低以及缺乏对放电等离子体特性的实时诊断问题，本发明提供了一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，由双极性纳秒脉冲电源、反应器、多针-板式电极、配气系统、光谱测量系统和放电测量系统组成。双极性纳秒脉冲电源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20 ns，脉宽约为60 ns，脉冲峰值电压0-60 kV,脉冲重复频率0_400Hz范围内
连续可调。多针-板式电极由上电极、多针电极、板电极、下电极和介质片组成；上电极、多针电极、板电极和下电极皆由不锈钢材料制成；板电极为水平固定状态，并与下电极相连；下电极通过导线牢固接地；介质片覆盖在板电极的上表面；多针电极固定在上电极的下方，且针尖朝下；多针电极与介质片相对，形成放电间隙；多针电极的针尖距离介质片的间隙在0-30 mm范围内可调；上电极的另一端与双极性纳秒脉冲电源的输出端连接。反应器是一个上顶面为绝缘材料，四周和底面为不锈钢制成的密封的圆柱形容器，多针-板式电极置于反应器的中央，上电极穿过反应器的绝缘顶面与双极性纳秒脉冲电源的输出端连接；下电极穿过反应器的下底面，并牢固接地；反应器侧面与放电间隙等高程处开有可供观察放电的圆形平光石英窗口，整个反应器气密性很好，且除石英窗口外，所有内 壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱测量的影响；反应器侧壁安装有带有气阀的进气管路和出气管路。配气系统将所用气体通过进气管路输入反应器中的放电间隙；多余的气体通过配气系统的出气管路排出。光谱测量系统，通过安装在反应器的石英窗口实时收集多针-板式电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机进行光谱分析。 放电测量系统，实时收集双极性纳秒脉冲电源的放电电压和电流，并由数字示波器显示。双极性纳秒脉冲电源、光谱测量系统和放电测量系统皆需用电磁屏蔽罩屏蔽，所有的电磁屏蔽罩外壳牢固接地。配气系统由质量流量控制计、进气管路、出气管路、气阀和多个气瓶组成；将多个带有气阀的气瓶连通到质量流量控制计中，带有气阀的进气管路一端与质量流量控制计连通，另一端穿入反应器内到达多针-板电极的多针电极和介质片之间的边缘处形成喷气口 ；带有气阀的出气管路安置在与进气管路相对侧的反应器的上方。放电测量系统由数字示波器、电压探头线路和电流探头线路组成；将电压探头线路一端连接在上电极上，另一端连接在数字示波器上；将电流探头线路一端接在下电极与接地之间的导线上，另一端接在数字示波器上。光谱测量系统由透镜、光纤探头、光纤、高分辨率光栅单色仪、电荷耦合器件和计算机组成；透镜固定在反应器的石英窗口外侧的支架上，光纤探头固定在透镜另一侧的三维位移平台上，使其正对放电间隙，同时调节透镜中心点以及光纤探头的位置，使多针电极中间针的针尖、透镜中心点以及光纤探头三者在同一水平直线上；光纤探头收集到由透镜会聚后的光信号，并经光纤传输至高分辨率光栅单色仪进行分光，分光后的单色光信号经电荷耦合器件转变为数字信号，最后由计算机采集处理。多针-板式电极中多针电极的针电极数目可根据实际的需求来增加或减少而组成任意形状的电极的图案，同时还可调节针与针之间的距离。介质片可以是石英、陶瓷、或聚四氟乙烯的任意一种。多针电极不仅可以调节所有针电极与下电极保持相同的距离同时还可以不同针电极与下电极保持不同的距离。反应器的观察窗口可以有I至4个。本发明的有益效果是:(1)采用双极性纳秒脉冲电源，在无外加磁场作用下产生了大面积的放电等离子体；(2)产生的等离子体是均匀的、弥散的；(3)产生的等离子体中电子密度高、能量利用率高、耗能低、放电过程易于控制。(4)可以通过高分辨率光栅单色仪和数字示波器对均匀等离子体特性进行诊断，以便更好地应用在实际工业中。
图1为本发明示意图。图2为多针电极针 的分布图，由13个针组成两个七星六角结构的图案。图中:1.双极性纳秒脉冲电源；2.上电极；3.电压探头线路；4.数字示波器；
5.质量流量控制计；6.进气管路；7.气阀；8.气瓶；9.反应器；10.多针电极；11.出气管路；12.板电极；13.介质片；14.透镜；15.光纤探头；16.下电极；17.电流探头线路；18.光纤；19.计算机；20.高分辨率光栅单色仪；21.电荷耦合器件；22.电磁屏蔽罩。
具体实施方案下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，由双极性纳秒脉冲电源1、反应器
9、多针-板式电极、配气系统、光谱测量系统和放电测量系统组成。双极性纳秒脉冲电源I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20 ns，脉宽约为60 ns，脉冲峰值电压0-60 kV,脉冲重复频率0_400Hz范围内连续可调。多针-板式电极由上电极2、多针电极10、板电极12、下电极16和介质片13组成；上电极2、多针电极10、板电极12和下电极16皆由不锈钢材料制成；板电极12为水平固定状态，并与下电极16相连；下电极16通过导线牢固接地；介质片13覆盖在板电极12的上表面；多针电极10固定在上电极的下方，且针尖朝下；多针电极10与介质片13相对，形成放电间隙；多针电极10的针尖距离介质片13的间隙在0-30 mm范围内可调；上电极2的另一端与双极性纳秒脉冲电源I的输出端连接。多针电极10的针尖端被磨圆，针尖直径约为
0.8 mm,针与针之间的距离为10 mm ;板电极12是直径为80 mm的不锈钢圆盘,不锈钢圆盘表面覆盖介质片13其厚度为I mm，直径为100 mm。反应器9是一个上顶面为绝缘材料，四周和底面为不锈钢制成的密封的圆柱形容器，多针-板式电极置于反应器9的中央，上电极2穿过反应器9的绝缘顶面与双极性纳秒脉冲电源I的输出端连接；下电极16穿过反应器9的下底面，并牢固接地；反应器9侧面与放电间隙等高程处开有可供观察放电的圆形平光石英窗口，整个反应器9气密性很好，且除石英窗口外，所有内壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱测量的影响；反应器9侧壁安装有进气管路6和出气管路11。配气系统将所用气体通过进气管路6输入反应器9中的放电间隙；多余的气体通过配气系统的出气管路11排出。光谱测量系统，通过安装在反应器的石英窗口实时收集多针-板式电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机19进行光谱分析。放电测量系统，实时收集双极性纳秒脉冲电源I的放电电压和电流，并由数字示波器4显不。双极性纳秒脉冲电源1、光谱测量系统和放电测量系统皆需用电磁屏蔽罩22屏蔽，所有的电磁屏蔽罩22外壳牢固接地。配气系统由质量流量控制计5、进气管路6、出气管路11、气阀7和多个气瓶8组成；将多个带有气阀7的气瓶8连通到质量流量控制计5中，带有气阀7的进气管路6 —端与质量流量控制计5连通，另一端穿入反应器9内到达多针-板电极的多针电极10和介质片13之间的边缘处形成喷气口 ；带有气阀7的出气管路11安置在与进气管路相对侧的反应器9的上方。气瓶8中的气体可以是N2气、He气、O2气和Ar气；配气系统是利用质量流量控制计5测量气体流量，将所用气体通过混合作为工作气体进入反应器，然后通过一个喷气口均匀地进入放电间隙，整个实验中气体流量保持在200 ml/min不变，气阀7控制气体的通入，实验中使用的N2气、He气、O气2和Ar气的浓度均为99.999%的高纯气体。出气管路11处的气阀处于打开状态。如果工作气体为空气，可直接在空气中进行实验，不需要上面配气操作。
放电测量系统由数字示波器4、电压探头线路3和电流探头线路17组成；将电压探头线路3 —端连接在上电极2上，另一端连接在数字示波器4上；将电流探头线路17 —端接在下电极16与接地之间的导线上，另一端接在数字示波器4上。本发明采用的是美国Tektronix公司生产的数字示波器型号为TDS3052B ;电压探头线路P6015A，1000X3.0pF,100M Ω，I: 1000、以及电流探头线路TCP312。光谱测量系统由透镜(14)、光纤探头(15)、光纤18、高分辨率光栅单色仪20、电荷耦合器件21和计算机19组成；透镜14固定在反应器9的石英窗口外侧的支架上，光纤探头15固定在透镜14另一侧的三维位移平台上，使其正对放电间隙，同时调节透镜14中心点以及光纤探头15的位置，使多针电极10中间针的针尖、透镜14中心点以及光纤探头15三者在同一水平直线上；光纤探头15收集到由透镜14会聚后的光信号，并经光纤18传输至高分辨率光栅单色仪20进行分光，分光后的单色光信号经电荷耦合器件21转变为数字信号，最后由计算机19采集处理。透镜14的直径为50 mm,焦距为100 mm。高分辨率光栅单色仪型号为=Andor SR-750i。光栅2400条/mm，其闪耀波长为300 nm。在等离子体中存在着大量的激发态粒子，激发态粒子在退激发的过程中会发射光子，光子的能量与该粒子的种类以及所涉及的能级有关，通过探测这些光子的光谱，可以判断等离子体中存在的物质种类及其所处的状态。多针-板式电极中多针电极10的针电极数目可根据实际的需求来增加或减少而组成任意形状的电极的图案，同时还可调节针与针之间的距离。介质片13可以是石英、陶瓷、或聚四氟乙烯的任意一种。多针电极10不仅可以调节所有针电极与下电极保持相同的距离同时还可以不同针电极与下电极保持不同的距离。安装与反应器9侧壁的观察窗口可以有I至4个。双极性纳秒脉冲电源1、光谱测量系统和放电测量系统皆需用电磁屏蔽罩22屏蔽，所有的电磁屏蔽罩22外壳牢固接地。本发明所提供的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置的使用方法如下:步骤1:在通入实验气体前，先检查气路的气密性，然后先将反应器9利用机械泵进行抽真空处理。再利用质量流量控制计5来测量来自不同气瓶8中的不同气体的流量，配比实验所需要的不同浓度的混合气体，通过进气管路6将混合气体输入反应器9再经过喷气口均匀的将混合气体通入放电间隙。整个实验中混合气体流量保持在200 ml/min不变，如果工作气体为空气，可直接在空气中进行实验，不需要上面配气操作步骤。步骤2:检查电路无误后，打开数字示波器4、高分辨率光栅单色仪20和计算机19，将数字示波器4的电压和电流调到最大量程；通过安装在计算机19上的Solis软件将高分辨率光栅单色仪20调到第三个光栅，即光栅2400条/mm，闪耀波长为300 nm，根据需要也可以选择500条/mm和1200条/mm的光栅。曝光时间为I S，测量范围为200-900nm.调试完毕后，检查仪器是否工作正常，并用遮光材料将不用观测的其它反应器9的窗口遮住。步骤3:待仪器检查正常后，开启双极性纳秒脉冲电源1，先设定脉冲重复频率为150Hz,然后将脉冲峰值电压调至30 kV，具体可以根据实际需要调节电源参数，等离子体放电开始，在多针电极10和介质片13之间会产生大面积的均匀等离子体。然后通过数字示波器4和计算机19分别记录放电等离子体的电流电压波形图和等离子体的发射光谱。记录完毕后，分别将脉冲峰值电压和脉冲重复频率调为0，关闭双极性纳秒脉冲电源1，放电结束。·步骤4:通过计算机19分析放电等离子体的电流电压波形图和发射光谱，可以获得等离子体功率、功率密度、能耗、电子密度、转动温度、振动温度、电子温度以及该放电产生的活性粒子成分和浓度等重要参数。通过这些参数可以直观的反映所产生的等离子体的一些重要特性。还可以通过佳能550D数码相机拍摄放电照片，从照片能够直观的判断放电等离子体的面积和放电的均匀性。
权利要求
1.一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，由双极性纳秒脉冲电源(I)、反应器(9)、多针-板式电极、配气系统、光谱测量系统和放电测量系统组成；双极性纳秒脉冲电源(I)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20 ns，脉宽约为60 ns，脉冲峰值电压0-60 kV,脉冲重复频率0_400Hz范围内连续可调；其特征在于: 多针-板式电极由上电极(2)、多针电极(10)、板电极(12)、下电极(16)和介质片(13)组成；上电极(2)、多针电极(10)、板电极(12)和下电极(16)皆由不锈钢材料制成；板电极(12)为水平固定状态，并与下电极(16)相连；下电极(16)通过导线牢固接地；介质片(13)覆盖在板电极(12)的上表面；多针电极(10)固定在上电极的下方，且针尖朝下；多针电极(10)与介质片(13)相对，形成放电间隙；多针电极(10)的针尖距离介质片(13)的间隙在0-30 mm范围内可调；上电极(2)的另一端与双极性纳秒脉冲电源(I)的输出端连接； 反应器(9)是一个上顶面为绝缘材料，四周和底面为不锈钢制成的密封的圆柱形容器，多针-板式电极置于反应器(9)的中央，上电极(2)穿过反应器(9)的绝缘顶面与双极性纳秒脉冲电源(I)的输出端连接；下电极(16)穿过反应器(9)的下底面，并牢固接地；反应器(9)侧面的四个方向开有可供观察的圆形平光石英窗口，整个反应器(9)气密性很好，且除石英窗口外，所有内壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱测量的影响；反应器(9)的侧壁安装有带有气阀的进气管路(6)和出气管路(11)； 配气系统将所用气体通过进气管路(6)输入反应器(9)中的放电间隙；多余的气体通过配气系统的出气管路 (11)排出； 光谱测量系统，实时收集多针-板式电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机进行光谱分析； 放电测量系统，实时收集双极性纳秒脉冲电源(I)的放电电压和电流，并由数字示波器(4)显示； 双极性纳秒脉冲电源(I)、光谱测量系统和放电测量系统皆需用电磁屏蔽罩(22)屏蔽，所有的电磁屏蔽罩(22)外壳牢固接地。
2.根据权利要求1所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，配气系统由质量流量控制计(5)、进气管路(6)、出气管路(11)、气阀(7)和多个气瓶(8)组成；将多个带有气阀(7)的气瓶(8)连通到质量流量控制计(5)中，带有气阀(7)的进气管路(6) —端与质量流量控制计(5)连通，另一端穿入反应器(9)内到达多针-板电极的多针电极(10)和介质片(13)之间的边缘处形成喷气口 ；带有气阀(7)的出气管路(11)安置在与进气管路相对侧的反应器(9)的上方。
3.根据权利要求1所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，放电测量系统由数字示波器(4)、电压探头线路线路(3)和电流探头线路线路(17)组成；将电压探头线路(3)—端连接在上电极(2)上，另一端连接在数字示波器(4)上；将电流探头线路(17) —端接在下电极(16)与接地之间的导线上，另一端接在数字示波器(4)上。
4.根据权利要求1所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，光谱测量系统由透镜(14)、光纤探头(15)、光纤(18)、高分辨率光栅单色仪(20)、电荷耦合器件(21)和计算机(19)组成；透镜(14)固定在反应器(9)的石英窗口外侧的支架上，光纤探头(15)固定在透镜(14)另一侧的三维位移平台上，使其正对放电间隙，同时调节透镜(14)中心点以及光纤探头(15)的位置，使多针电极(10)中间针的针尖、透镜(14)中心点以及光纤探头(15)三者在同一水平直线上；光纤探头(15)收集到由透镜(14)会聚后的光信号，并经光纤(18)传输至高分辨率光栅单色仪(20)进行分光，分光后的单色光信号经电荷耦合器件(21)转变为数字信号，最后由计算机(19 )采集处理。
5.根据权利要求1所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，多针-板式电极中多针电极(10)的 针电极数目可根据实际的需求来增加或减少而组成任意形状的电极的图案，同时还可调节针与针之间的距离。
6.根据权利要求1所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于多针电极(10)的针尖端被磨圆，针尖直径约为0.8 mm，针与针之间的距离为10 mm ;板电极(12)是直径为80 mm的不锈钢圆盘，不锈钢圆盘表面覆盖介质片(13)其厚度为I mm，直径为 100 mm。
7.根据权利要求1或5所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，介质片(13)可以是石英、陶瓷、或聚四氟乙烯的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，多针电极(10)不仅可以调节所有针电极与下电极保持相同的距离同时还可以不同针电极与下电极保持不同的距离。
9.根据权利要求3所述的一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，其特征在于，透镜(14)的直径为50 mm,焦距为100 mm_。
全文摘要
一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，属于等离子体技术领域，由双极性纳秒脉冲电源、反应器、多针-板式电极、配气系统、光谱测量系统和放电测量系统组成；双极性纳秒窄脉冲电源驱动安装于反应器中的多针-板式电极间的空气及其他混合气体介质阻挡放电，混合气体通过配气系统向反应器中输入。光谱测量系统实时收集等离子放电的光子信息，并输入到计算机进行光谱分析。放电测量系统实时收集高压纳秒脉冲电源的放电电压和电流，并由数字示波器显示。本发明采用双极性纳秒窄脉冲电源，在无磁场作用下产生了大面积的放电等离子体；产生的等离子体是均匀的、弥散的；产生的等离子体中电子密度高、能量利用率高、耗能低、 放电过程易于控制。
文档编号G01N21/71GK103245655SQ201310188840
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月20日 优先权日2013年5月20日
发明者王文春, 刘志杰, 杨洋, 杨德正, 张帅, 唐凯, 王森, 蒋鹏超 申请人:大连理工大学