本实用新型涉及一种介质阻挡放电低温等离子体射流发生装置。
背景技术：
大气压等离子体射流，凭借其产生于开放空间、而不受狭窄气隙间隔限制的显著特点，能够对各种形状的样品进行处理，因而在等离子体医学、纳米技术、表面改性及薄膜层积等应用领域受到广泛关注。为了提高等离子体射流的工作效率、避免因焦耳热损伤被处理样品表面，人们都在极力研发类似于低气压条件下汤森或辉光的弥散放电。在等离子体射流的产生中，确保等离子体的弥散性和稳定性尤为重要。介质阻挡放电是产生等离子体射流的一种常见方式。
为了获取弥散稳定的等离子体射流，人们常用氦气作为工作气体。然而，昂贵的成本难以维持大规模的等离子体应用。而若以价格低廉的氩气作为工作气体，在常压下放电通道极易收缩成细丝状，很难形成弥散稳定的等离子体射流。为此通常采用降低电离率的方式，向工作气体氩中添加其他辅助成份，比如氢气、氨气和丙酮，来防止细丝放电的形成。即便如此，由于大气环境下类辉光放电的放电机理尚不完全明确，维持常压氩气弥散稳定放电的放电条件仍然复杂苛刻。此难题已困扰人们几十年，当前急需寻找一个可替代的办法来解决此问题。
技术实现要素：
本实用新型提供一种浮动电极增强介质阻挡放电弥散等离子体射流发生装置，能够简便、可靠地实现大气压下氩气弥散等离子体射流。
在现有技术中，人们基于“流注耦合模型”，通过降低气体放电电离率的方法来防止细丝放电的形成，并获取弥散的等离子体射流。而本实用新型提供的技术方案是将已经形成的放电细丝转变成弥散的等离子体射流，方案详述如下：
该浮动电极增强介质阻挡放电弥散等离子体射流发生装置，包括由绝缘材料制成的圆筒形的主体腔室，主体腔室的一端作为进气端口，另一端作为出气端口，出气端口的直径不大于10mm；主体腔室的外壁依次紧密套接有均为圆筒形的浮动电极、接地电极，其中接地电极靠近出气端口；在主体腔室的轴心处固定设置有柱形的高压电极，高压电极与主体腔室内壁的间距为 0.5-4.5mm，高压电极从进气端口伸入主体腔室内且末端与浮动电极所在轴向位置相对应，高压电极、浮动电极与接地电极的轴向距离为10-20mm，通过在高压电极和接地电极两端加载交流电源、浮动电极保持开路状态，使得：高压电极、浮动电极以及两者之间充当绝缘介质层的腔壁形成介质阻挡放电的预放电单元，高压电极、接地电极以及两者之间充当绝缘介质层的腔壁形成介质阻挡放电构成主放电单元。
需要说明的是，前述“圆筒形的主体腔室”，是强调其主体区域(即放电区域)的形状为圆筒结构，如果进气端口到放电区域的轴向长度较长，这部分当然也可以设计为锥形渐变结构。
“浮动电极”为电学领域专业术语，并非指空间上能够浮动或移动的电极，而是指该电极与电源保持开路状态(未与电源正负极相接)。
基于以上方案，本实用新型还进一步作了如下优化：
高压电极、浮动电极与接地电极的轴向距离相等，即高压电极的末端与浮动电极的末端平齐。或者，稍微错开一些距离也可。
交流电源的频率从工频至13.56MHz的射频范围内可调，电源模式为连续(例如正弦波形式)或脉冲形式(例如周期性的双极性脉冲)。电压幅值与放电波形、极间距、工作气体类别、主体腔室等因素有关，一般在1000-9000 伏。
主放电功率(即加载交流电源稳定工作时的功率)不大于10W，工作气体流速为0.01-10L/min。
主体腔室(的腔壁)由玻璃、石英或陶瓷材料制成。
高压电极、接地电极、浮动电极均为铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极。
高压电极为圆柱形，直径0.5-5mm，高压电极的放电顶端为圆弧形。
接地电极和浮动电极均为薄片圆筒结构，厚度不大于1mm，轴向长度为5-15mm。
接地电极距离出气端口3-8mm。
高压电极通过设置于主体腔室内的环形塞实现与主体腔室的相对固定，高压电极从环形塞中心贯通，环形塞上对称设置有若干通气孔作为气流通道。
本实用新型具有以下技术效果：
通过设置浮动电极改变电场的空间分布，高压电极和浮动电极与接地电极保持较大间距，诱导电场尽可能沿轴向分布，同时因浮动电极形成的预放电，使在主放电区域较容易维持稳定的大间隙细丝放电；然后在主放电区域将细丝放电转变成弥散放电，从而简便、可靠地实现大气压下氩气弥散等离子体射流。
附图说明
图1为本实用新型主体结构示意图。
图2为本实用新型工作示意图。
图3为环形塞的结构示意图。
附图标号说明：
10-(射流发生装置的)主体结构；
12-主体腔室；14-进气端口；16-出气端口；17-高压电极；18-接地电极； 20-环形塞；22-浮动电极；
24-等离子体射流；36-被处理物体；
40-电源设备。
具体实施方式
本实用新型的工作原理如下：
1)在高压电极与接地电极形成的电场内设置浮动电极，改变了电场的空间分布，使得高压电极与浮动电极之间形成微弱放电，微弱放电产生的种子电荷，流经主放电区域，对大间隙介质阻挡细丝放电起着稳定和促进作用。
2)在放电正半周期内，放电细丝发生在高压电极与接地电极处腔室内壁之间。正电荷通过放电细丝传送到腔室内壁表面，首先中和前负半周期放电积累在腔室内壁表面的负电荷，然后积累正电荷。在积累电荷的过程中，腔室内壁表面的正电荷诱导产生有沿出气端口方向分量的轴向电场。在积累表面正电荷腔室内壁附近和细丝通道周围，分布着大量的带电粒子。较高数密度的带电粒子在诱导电场中，起着种子电荷或预电离的作用，可以避免二次细丝放电的发生，在局部区域形成弥散正电晕放电。正电晕放电，不同于负电晕放电依靠于局部区域的强电场电离，而是主要通过流注头部的光电离沿着出气端口传播，从而形成较长的等离子体射流。最终，放电模式由高压电极与接地电极之间的细丝放电，成功转变成出气端口处弥散的电晕放电。
工作时，让工作气体(等离子体维持气体和/或活性气体)从进气端口流入腔室，在流经高压电极与浮动电极所对应的放电空间时，随着外加电压幅值的增大，因该放电空间气隙间隔(相对于高压电极与接地电极之间的气隙间隔)较小，在较低的电压幅值条件下，便能发生微弱的细丝放电，起着预电离的作用。预电离的工作气体流至主放电区域，携带的带电粒子在此充当着种子电荷的作用，促进主放电的发生。随着外加电压幅值的继续增加，主放电的放电气隙被击穿，形成强烈的细丝放电。细丝放电发生在高压电极与接地电极处腔体内壁之间。在放电正半周期内，正电荷通过放电细丝传送到腔室内壁表面，首先中和完前负半周期放电积累在腔室内壁表面的负电荷，然后积累正电荷。在积累电荷的过程中，腔室内壁表面的正电荷诱导产生沿有出气端口方向分量的轴向电场。细丝放电所产生的电子和离子在此诱导电场中，起着种子电荷的作用，在局部区域形成弥散正电晕放电，并通过流注头部的光电离沿着出气端口传播，从而形成较长的等离子体射流。该射流具有非平衡态等离子体的活性特征，因而，此等离子体发生设备可以用来进行等离子体表面处理和清洗、等离子体沉积、等离子体杀菌以及等离子体净化。
下面结合附图进一步详述本实用新型的结构和工作过程。
浮动电极增强大间隙介质阻挡放电弥散等离子体射流发生装置，如图1 所示，包括主体腔室12，主体腔室12有两个端口：一个进气端口14和一个出气端口16。等离子体维持气体和活性气体从进气端口14流入腔室，流经主体腔室12内部的圆形腔体。
等离子体射流发生装置还包括三个电极，一个高压电极17，一个接地电极18和一个浮动电极22。高压电极17处于主体腔室12内部的中心位置。接地电极18环绕主体腔室12外表面，并靠近出气端口16。浮动电极22环绕主体腔室12外表面，并与高压电极17在主体腔室12的轴向位置相对应。浮动电极22和高压电极17到接地电极18之间的轴向距离相等。在进气端口14 与浮动电极22之间，主体腔室12的内部还设置一个带有四周对称分布通气孔的环形塞20(高压电极17从该环形塞20中心贯通)，用于固定高压电极 17。
等离子体维持气体和活性气体持续地从进气端口14流入主体腔室12，首先流经环形塞20的通气孔，再流经高压电极17和浮动电极22所对应的预放电区域，在外加幅值电压较小的情况下工作气体发生预电离，预电离后的气体再流经高压电极17和接地电极18所对应的主放电区域，随着外加电压幅值的继续升高，气体将被再次击穿，形成强烈的细丝放电。在正偏压或放电正半周期内，正电荷通过放电细丝传输到主体腔室12内壁表面，首先中和完前负半周期放电积累在腔室内壁表面的负电荷，然后积累正电荷。在积累电荷的过程中，主体腔室12内壁表面的正电荷诱导产生沿有出气端口16方向分量的轴向电场。同时，细丝放电所产生的电子和离子在此诱导电场中，起着种子电荷的作用，在局部区域形成弥散正电晕放电，并通过流注头部的光电离沿着出气端口16向外传播，从而形成较长的等离子体射流从出气端口16 喷出。
图2为本实用新型的浮动电极增强大间隙介质阻挡放电弥散等离子体射流发生装置工作示意图。射流发生装置除了包括一个主体结构10以外，还包括电源设备40。电源设备40为高压电极17提供放电电压。工作时，等离子体维持气体和活性气体由进气端口14流入主体腔室12，首先流经环形塞20 的通气孔，环形塞20结构如图3所示，该示意图展示了沿固定高压电极17 的中心通孔对称分布8个通气孔的环形塞案例。工作气体再流经高压电极17 和浮动电极22所对应的预放电区域，在电源设备40提供外加交流或脉冲电压幅值较小的情况下，工作气体发生微弱放电，产生预电离。预电离的气体再流经高压电极17和接地电极18所对应的主放电区域，随着电源设备40电压幅值的继续升高，气体将被再次击穿，形成强烈的细丝放电。在正偏压或放电正半周期内，主体腔室12内壁表面积累的正电荷诱导产生沿有出气端口 16方向分量的轴向电场。该电场在大量种子电荷的辅助作用下，产生弥散正电晕放电，并通过流注头部的光电离沿着出气端口16向外传播，从而形成等离子体射流24从出气端口16喷出。将等离子体射流24触及到被处理物体36 的表面，并与其适当地接触和来回移动，就可以对被处理物体36的整个表面或预处理表面进行处理。
通过实验，验证了本实用新型能够将细丝放电转变成弥散放电，形成弥散等离子体射流。在大气环境下采用本实用新型进行实验，等离子体射流发生装置石英玻璃管内径为3mm，外径为5mm。高压电极直径1mm；接地电极长10mm，沿轴向距离高压电极12mm，距离出气端口5mm；浮动电极长 10mm，距离接地电极12mm。以氩气作为工作气体，外加交流电压幅值6.1kV，频率为8.9kHz。在气体流速为0.1l/min，0.2l/min，0.3l/min，0.4l/min时，得到放电图像。这里，把主放电分成依次的三段区域。上述不同气体流速下，细丝放电发生在第一段区域。在经过第二段区域后，细丝放电在第三段区域成功转变成弥散等离子体射流。