一种产生冷等离子体刷的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种产生冷等离子体刷的装置及方法。
【背景技术】
[0002]大气压低温冷等离子体无需昂贵的真空装置，可以在开放的空气环境中运行，便于实现流水线生产。并且它具有适当的电子密度、电子温度和气体温度等参数，因此在工农业生产、日常生活、航空航天、生物医疗等众多领域具有非常广泛的应用。例如在工业中可用于材料制备、表面处理、大规模集成电路刻蚀;在农业领域可用于种子处理、食品保鲜等；在日常生活中可用于空气净化、大面积显示等;在航天领域可以用于隐身、电推进等;在生物医疗领域可用于杀菌消毒、肿瘤治疗等。
[0003]现有技术中，通常利用各种结构的等离子体喷枪在开放的空气环境中产生大气压冷等离子体(见公开文献Plasma Sources Sc1.Technol.，2012，21，034005)。等离子体喷枪按照其电场与气流场的相对方向分为平行场喷枪和交叉场喷枪;其中，平行场喷枪比交叉场喷枪具有更高的电子温度和化学活性(见公开文献Appl.Phys.Lett.2008,93,111501)。通常等离子体喷枪产生的等离子体羽的横向尺度都很小，一般只有毫米量级，这显然对大规模应用是不利的。随着技术的发展，如何产生大尺度的大气压低温等离子体也显得愈加迫切。等离子体刷是一种符合要求的大尺度大气压等离子体。目前，已有文献(见公开文献SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & Astronomica,2015,45(9) ,095201)^开了利用线-板型放电装置，通过氩气的流动，在直流电压驱动下产生大面积的大气压均匀等离子体刷，但是，其所产生的等离子体刷的长度相对较短，约为1.0cm，因此，仍然限制了大尺度的大气压低温等离子体的应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的之一就是提供一种产生冷等离子体刷的装置，以解决现有的装置不能产生大尺度的大气压低温等离子体的问题。
[0005]本发明的目的之二就是提供一种产生冷等离子体刷的方法，该方法可以在大气压空气环境中产生大尺度的等离子体刷，且所产生的等离子体刷具有温度低、化学活性高等优点。
[0006]本发明的目的之一是这样实现的:一种产生冷等离子体刷的装置，包括供气机构、输气机构、供电机构和电极机构；
所述供气机构包括供气管路和提供放电气体的储气罐;所述储气罐通过所述供气管路与所述输气机构相接;在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；
所述输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，所述狭缝型气道的横截面为狭缝型结构;所述狭缝型气道的一端为进气口，所述狭缝型气道的另一端为出气口；所述进气口与所述供气管路相接； 所述电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，所述线电极穿过所述输气机构的狭缝型气道内且靠近所述出气口处，所述线电极与所述狭缝型气道的横截面的长边平行；
所述供电机构包括高压交流电源，所述高压交流电源的高压输出端与所述线电极电连接，所述高压交流电源的接地端通过所述板电极接地线。
[0007]所述狭缝型气道的长度为2cm?20cm，所述狭缝型气道的横截面的长边大于2cm且小于5cm，所述狭缝型气道的横截面的短边小于5mm。
[0008]在所述线电极的两端设置有束紧装置，所述束紧装置用于使所述线电极保持呈直线状态;所述束紧装置包括相互匹配的螺母和螺栓，所述螺栓具有中空的轴芯，所述线电极的端部穿过所述螺栓的轴芯并与所述螺栓固接。
[0009]所述线电极的直径为0.1mm?1.0mm。
[0010]所述线电极在所述狭缝型气道内距狭缝型气道出气口的距离为3mm?10mm。
[0011]所述板电极的横截面为圆形、方形、三角形或六边形；当所述板电极的横截面为方形、三角形或六边形时，所述板电极的横截面的顶角呈倒圆角结构。
[00?2 ] 所述线电极与所述板电极之间的距离为20mm?I OOmm。
[0013]本发明由供气机构提供放电气体，放电气体经输气机构传输，输气机构的主体是由绝缘材料制成的狭缝型气道，该狭缝型气道的横截面为狭缝型结构，因此，气体在狭缝型气道内可稳定传输，通过调节流量计，可使气体在狭缝型气道内以层流状态流动，由狭缝型气道流出的气体进入放电空间；线电极沿气道的狭缝置于气道内且靠近出气口位置处，板电极与线电极相对设置，线电极位于气流的上游区域，板电极位于气流的下游区域，线电极与板电极之间的区域即为放电区域;使线电极连接高压交流电源的高压输出端，使板电极接地线，调节高压交流电源的输出电压，即可在线电极与板电极之间形成大尺度的明亮均匀的刷状等离子体羽(也称等离子体刷)。线电极和板电极成对设置，可以设置多对线电极和板电极，使得每一对线电极和板电极交错排列，或者说使得每一对线电极和板电极之间的放电空间交错排列，可进一步扩展所形成的等离子体刷的尺度，以利于大尺度大气压低温等离子体的应用。
[0014]本发明所提供的产生冷等离子体刷的装置，结构简单，产生的等离子体放电稳定、成本低，在材料制备、表面处理、材料蚀刻、臭氧合成、水处理、杀菌消毒、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。
[0015]本发明的目的之二是这样实现的:一种产生冷等离子体刷的方法，包括如下步骤:
a、设置供气机构;所述供气机构包括供气管路及与所述供气管路相接的储气罐;在所述供气管路上设置有气阀、气压表和流量计；
b、设置输气机构;所述输气机构是由绝缘材料制成的狭缝型气道，所述狭缝型气道的横截面为狭缝型结构;所述狭缝型气道的一端为进气口，所述狭缝型气道的另一端为出气口 ；所述进气口与所述供气管路相接；
c、设置电极机构;所述电极机构包括平行且相对设置的线电极和板电极，所述线电极穿过所述输气机构的狭缝型气道内且靠近所述出气口处，所述线电极与所述狭缝型气道的横截面的长边平行；
d、设置供电机构;所述供电机构包括高压交流电源，所述高压交流电源的高压输出端与所述线电极电连接，所述高压交流电源的接地端通过所述板电极接地线；
e、打开供气管路上的气阀，由所述储气罐通过所述供气管路向所述输气机构的狭缝型气道内通入放电气体，放电气体经所述狭缝型气道后由出气口流出，进入开放的放电空间；
f、打开高压交流电源的开关，逐渐增加所述高压交流电源的输出电压，使得在所述线电极与所述板电极之间形成大尺度均匀的等离子体刷。
[0016]步骤e中还包括:调节供气管路上的流量计，以使放电气体在狭缝型气道内以层流状态流动。
[0017]步骤f中高压交流电源的频率范围为1.0kHz?100kHz，高压交流电源输出的电压波形为正弦波、方波或三角波。
[0018]所述狭缝型气道的长度为2cm?20cm，所述狭缝型气道的横截面的长边大于2cm且小于5cm，所述狭缝型气道的横截面的短边小于5mm;所述线电极与所述板电极之间的距离为20mm?10mmο
[0019]本发明所提供的产生冷等离子体刷的方法，通过设置供气机构、输气机构、电极机构和供电机构，打开供气管路上的气阀，使放电气体流入狭缝型气道，之后流入开放的放电空间;逐渐增加高压交流电源的输出电压，使得在线电极附近出现等离子体羽，调节板电极的位置，并进一步调节线电极上的电压值，直至放电等离子体连接线电极和板电极。在两个电极之间产生的等离子体是冷等离子体，且线电极和板电极均位于气流通道中，放电过程中两个电极温度不会过高，因此放电过程不会由于热不稳定性过渡到火花放电，即放电可以长时间稳定运行。由于电场方向与气流方向平行，因此属于平行场放