一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统的制作方法

本实用新型属于低温冷等离子体技术领域，涉及一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，用于不同工作气体和环境气体下的等离子体射流的发生和参数诊断。

背景技术：

等离子体特别是低温等离子体具有广泛的应用，如环境保护、生物医学、微电子、材料改性等领域，已经成为目前研究的热点之一。传统的低温等离子体大多是在低气压下产生的，需要获得和维持真空条件，不仅增大了其生产成本，也极大地限制了等离子体的应用。大气压等离子体射流装置的出现极大改善了这一现状。大气压低温等离子体射流装置能够在开放空间中产生气体温度接近于室温的等离子体射流，与传统等离子体技术相比，具有应用成本小，射流温度低等特性，已成为近年来等离子体方向的研究重点之一。

尽管大气压等离子体射流出现已有数十年之久，人们对其机理及特性仍然尚未研究透彻。而等离子体射流的工作气体和环境气体对其特性具有较大的影响，特别是对等离子体射流的应用产生至关重要作用的活性粒子的种类尤其受到影响。所以研究不同的工作气体和环境气体下等离子体射流的特性对于其应用具有较大的帮助。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提出一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，可根据需要以不同工作气体产生等离子体射流，并控制环境气体成分，结合相应仪器可对等离子体射流的长度、温度、电流、功率和光谱特性进行诊断，以便更好地研究其特性。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，包括诊断箱体，分别位于诊断箱体内部、外部的等离子体射流装置和气体控制系统；所述等离子体射流发生装置包括中空体，中空体的内壁上设有外表面无棱角的金属块，金属块与中空体相接触的第一侧面连接有穿过中空体壁的第一金属棒，作为电源高压电极；金属块的与第一侧面同向的第二侧面设有穿过中空体前壁的第二金属棒，作为放电的高压电极；中空体外设有包裹第二金属棒的第一玻璃管，第一玻璃管的长度大于第二金属棒伸出中空体的部分；第一玻璃管外壁缠绕金属片，金属片位于玻璃管前端，作为接地极；所述中空体上还设有工作气体输入通道，诊断箱体对应位置处设有第一气动接头，工作气体输入通道通过第一气动接头与气体控制系统相连；所述诊断箱体的左右两侧分别设有第二气动接头和第三气动接头，用于配合气体控制系统实现环境气体的输入和气体的排出；所述诊断箱体上还设有用于与电源连接的贯通式的高压接线柱和地电极接线柱，高压接线柱和地电极接线柱还分别与等离子体射流装置中的电源高压电极和接地极相连。

所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还至少包括一层水平安装在诊断箱体内部的带孔插板，所述等离子体射流装置固定安装在带孔插板上。

所述插板上布局有一系列螺纹孔，用于固定和调整射流装置、温度传感器和光谱仪探头位置。

所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还包括滑块，所述滑块上设有贯通式的沉头槽和若干个螺纹孔，滑块利用沉头槽安装在插板上，各螺纹孔用于与待固定的装置上的螺纹孔相连，用于调整待固定装置的位置。

所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还包括至少一个垫片，各垫片上均设有螺纹孔，用于垫在待固定的装置下方，待固定的装置穿过其螺纹孔固定在滑块上，用于微调高度。

所述诊断箱体为绝缘材料制成的立方形箱体，箱体前后两面至少有一面可拆卸。

所述气体控制系统为气体流量计阵列，流量计数量根据实际需要设定，将工作气体和环境气体的气源分别连接至对应的流量计的进气口，各流量计的出气口分别连接到对应的工作气体合并接头或者环境气体合并接头，工作气体合并接头和环境气体合并接头分别与第一气动接头和第二气动接头相连。

所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还包括电源模块，所述电源模块为射频电源、交流高频电源或脉冲电源中的任一种；电源模块的高压电极接到诊断箱体高压接线柱，并与射流发生装置的第一金属棒相连；电源模块的地线接至诊断箱体的地电极接线柱，并与射流发生装置的第一玻璃管外缠绕的金属片相连。

所述诊断箱体上设有用于供光纤温度传感器和光谱仪探头接入诊断箱体内部的接口；诊断箱体上还设有观察窗；所述诊断箱体上还设有固定阻值的无感电阻和固定容值的铁皮电容，无感电阻和铁皮电容通过单刀双掷开关分别串联在诊断箱体的地电极接线柱和电源模块的地线之间，分别用于配合示波器进行电流的测量和功率的测量。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，可根据需要以不同工作气体产生等离子体射流，并控制环境气体成分，结合相应仪器可对等离子体射流的长度、温度、电流、功率和光谱特性进行诊断，以便更好地研究其特性。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的等离子体射流发生装置的侧视图。

图2为本实用新型一种实施例的整体结构示意图。

图3为本实用新型一种实施例的插板的结构示意图。

图4为本实用新型一种实施例的滑块的俯视图。

图5为图4中滑块的剖视图。

图中：1 箱体进气口；2 高压接线柱；3 供光纤温度传感器接入诊断箱体内部的接口；4 供光谱仪探头接入诊断箱体内部的接口；5 工作气体输入通道的进气口；6阻值固定的无感电阻； 7 观察窗；8 滑块；9 沉头槽；10 螺纹孔；11为容值固定的铁皮电容；12 地电极接线柱。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

如图1所示，一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，包括诊断箱体，分别位于诊断箱体内部、外部的等离子体射流装置和气体控制系统；所述等离子体射流发生装置包括中空体，中空体的后内壁设有外表面无棱角的金属块，金属块涂覆绝缘漆，用于保证装置内部不会发生尖端放电，金属块与中空体相接触的第一侧面连接有穿过中空体壁的第一金属棒（优选地，为卡接），作为电源高压电极；金属块的与第一侧面同向的第二侧面设有穿过中空体前壁的第二金属棒（即第二金属棒的另一侧通过位于中空体正对金属块一侧的贯通式圆孔伸出立方体），作为放电的高压电极；中空体外设有包裹第二金属棒的第一玻璃管，第一玻璃管的长度大于第二金属棒伸出中空体的部分，作为射流喷头，优选地，二者长度差为0.5-2cm，根据工作气体和环境气体的击穿场强决定，场强越小，长度差越大，以免发生绕击；第一玻璃管外壁缠绕金属片，作为接地极；所述中空体上还设有工作气体输入通道，工作气体输入通道包括位于中空体上的圆孔和与圆孔连通的第二玻璃管，诊断箱体对应位置处设有第一气动接头，工作气体输入通道通过第一气动接头与气体控制系统相连；所述诊断箱体的左右两侧分别设有第二气动接头和第三气动接头（优选地，为贯通式双头气动接头），用于配合气体控制系统实现环境气体的输入和气体的排出；所述诊断箱体上还设有用于与电源连接的贯通式的高压接线柱2和地电极接线柱12，高压接线柱2和地电极接线柱12还分别与等离子体射流装置中的电源高压电极和接地极相连。等离子体射流装置上除了工作气体输入通道的进气口5和作为射流喷头的第一玻璃管外，其余部分为密封的。

在本实用新型的优选实施例中，所述中空体为中空立方体；所述第二金属棒为直径2mm的铜棒，所述金属片为铜箔；所述第一玻璃管为石英玻璃管；所述金属块为近似半球形金属块。

如图3所示，所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还至少包括一层水平安装在诊断箱体内部的带孔插板，所述等离子体射流装置固定安装在带孔插板上。优选地，当插板只有一个时，插槽有两个，高度不同，可以根据环境气体密度选择将插板插入到哪个插槽中。

所述插板上布局有一系列螺纹孔，用于固定和调整射流装置、温度传感器和光谱仪探头位置。

如图4和5所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还包括滑块8，所述滑块上设有贯通式的沉头槽9和若干个螺纹孔10，滑块8利用沉头槽9安装在插板上，各螺纹孔10用于与待固定的装置上的螺纹孔相连，用于调整待固定装置的位置。

所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还包括至少一个垫片，各垫片上均设有螺纹孔，用于垫在待固定的装置下方，待固定的装置穿过其螺纹孔固定在滑块上，用于微调高度。

所述诊断箱体上设有用于供光纤温度传感器和光谱仪探头接入诊断箱体内部的接口（3和4）；诊断箱体上还设有观察窗7（优选为玻璃透明的观察窗），用于观察内部情况和影像记录；所述诊断箱体上还设有固定阻值的无感电阻6（保证测量准确性）和固定容值的铁皮电容11（保证测量准确性），无感电阻6和铁皮电容11通过单刀双掷开关分别串联在诊断箱体的地电极接线柱和电源模块的地线之间，分别用于配合示波器进行电流的测量和功率的测量。

所述诊断箱体为绝缘材料制成的立方形箱体，箱体前后两面至少有一面可拆卸。

所述气体控制系统为气体流量计阵列，流量计数量根据实际需要设定，将工作气体和环境气体的气源分别连接至对应的流量计的进气口，各流量计的出气口分别连接到对应的工作气体合并接头或者环境气体合并接头，工作气体合并接头与第一气动接头相连，环境气体合并接头与第二气动接头或者第三气动接头相连。具体地，可根据气体种类需求增减流量计数量。流量计一段连接气源，另一端经过合并接头连接至诊断箱体进气口。

所述的一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，还包括电源模块，所述电源模块为射频电源、交流高频电源或脉冲电源中的任一种；电源模块的高压电极接到诊断箱体高压接线柱2，高压接线柱2与射流发生装置的第一金属棒相连（即与射流发生装置的高压电极相连）；电源模块的地线接至诊断箱体的地电极接线柱12，地电极接线柱12与射流发生装置的第一玻璃管外缠绕的金属片相连（即与射流发生装置的地电极相连）。

在本实用新型的优选实施例中，箱体左侧面的左上位置和右侧面的左下位置分别安装有一个气动快速接头，其中一个用于输入气体，另外一个用于排出气体。箱体左侧有两个带有设定间距的贯通式接线柱，用于接入电源。诊断箱体上面安装有贯通式双头气动接头，用于工作气体的输入。诊断箱体正面有用于光纤温度传感器和光谱仪探头接入箱体内部的接口。诊断箱体后面安装有玻璃观察窗，用于观察内部情况和影像记录。诊断箱体顶部安装有阻值固定的无感电阻6和容值固定的铁皮电容11，分别用于配合示波器进行电流的测量和功率的测量。

所述气体控制系统包括工作气体控制系统和环境气体控制系统，将不同气体的气源分别连接至对应流量计的进气口，并根据需要调节流量计流量，流量计出气口经过合并接头将气体混合后分别送入到等离子体射流装置和诊断箱体内，其中，工作气体控制系统只连接到射流装置，环境气体控制系统只连接到箱体，不可混连，所述的气体混合指的是两个气体控制系统内部不同气体组分的混合。工作气体控制系统的出气端接到诊断箱体顶部的第一气动接头，并在诊断箱体内部与射流发生装置的进气口相连。环境气体控制系统接到诊断箱体左侧面或者右侧面的气动接头，由于射流产生时需要不断通入工作气体，为保证箱体内环境尽量不变，需要不断通入环境气体，并从另一个箱体侧面另一接口排出气体，需要根据环境气体与工作气体和空气的相对密度选择位于上方或下方的接头，选择接头和插板位置需要根据环境气体和工作气体相对密度及与空气的密度差选择，原则为保证将空气和工作气体能够顺利排出箱体，保持箱体内部环境气体的纯度。

将射流发生装置置于箱型诊断箱体内部，并用螺丝固定在带孔插板上，射流发生装置的进气口、电源高压电极和地电极分别和箱体内部对应位置相连。打开气源和电源，并调节参数产生所需的等离子体射流（即工作和环境气体流量，气体组分，通过调节气体控制系统实现，电源的频率幅值等，通过调节电源实现）。

对等离子体射流进行参数诊断需结合相应仪器，本实用新型仅提供一便于测量之平台，并不能完全替代测量装置。诊断箱体可结合相应仪器测量等离子体射流的温度、电流、功率和光谱特性。温度和光谱特性分别用光纤温度传感器和光谱仪测量，箱体上设计有探头接口，可将仪器探头接入箱体内部，并保持箱体的密封性。探头利用固定架固定在插板上，利用插板上的螺纹孔阵列、垫片和滑块可以调整探头与射流发生装置的相对坐标，灵活选择测量位置和距离。电流和功率则由箱体上安装的无感电阻6和电容结合示波器进行测量。将其串接入射流发生装置电路中，利用示波器就可以测量得到电流和功率特性。

本实用新型提出一种工作气体和外部环境气体可控的等离子体射流发生与参数诊断系统，可对等离子体射流发生过程中的工作气体和环境气体进行控制，并对其进行特性诊断。本系统包括等离子体射流发生装置、箱型诊断箱体和气体控制系统。射流发生装置置于诊断箱体内部，通过诊断箱体侧壁上的气体管道接口和电路接口分别与气源和电源相连。诊断箱体具有良好密封性，通过进气口和出气口进行气体调节；侧壁上设计有测量系统接口，用于对等离子体的特性进行诊断。气体控制系统以流量计为主体，控制输入到射流发生装置和箱型诊断箱体中的气体。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。