一种大面积低温等离子体发生装置的制造方法
【专利摘要】本发明是一种大面积低温等离子体发生装置，其结构包括控制电路、高压电源、阻抗匹配器、绝缘手柄、高压母接头、高压电极、待处理物；其中，高压电源的输出口负极接地，高压电源的输出口正极与阻抗匹配器的输入端相连；阻抗匹配器的输出端通过高压导线与绝缘手柄内部的高压母接头的一端相连；高压母接头的另一端与高压电极相连；高压电源和市电之间接有控制电路。优点：1、整体装置结构紧凑，装置成本可控，故障率较低，工作稳定性高，操作灵活、安全；2、能满足不同的处理需求，实现大面积的等离子体处理；3、能在室内开放环境中产生的低温等离子体。
【专利说明】
一种大面积低温等离子体发生装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种大面积低温等离子体发生装置，属于等离子体技术领域。
【背景技术】
[0002]低温等离子体放电空间中富含的电子、离子、激发态粒子和自由基都是极为活泼的化学反应物，这些活泼的粒子有助于实现一些常规条件下难以发生的化学反应，因此低温等离子体已被广泛运用于材料表面处理、废水废气处理、消毒杀菌和医学辅助治疗等方面;然而，一方面气体放电等离子体工作于强电场环境中，为了保证装置的安全运行必须配合复杂的绝缘和接地系统；另一方面，受限于气体放电的原理和空间活性粒子较短的寿命，尤其是工作于大气压环境下的低温等离子体，放电间隙更窄，活性粒子寿命更短，装置的工作空间和处理物的空间严重受限；因此，现有的等离子体发生装置多为固定电极结构，或置于固定的容器腔体中，装置的灵活性受限，随着低温等离子体运用范围的拓展，有必要提升装置的灵活性，促进其在工业和科研领域的运用。
[0003]低温等离子体按产生机理可以分为弧光放电、电晕放电、辉光放电和介质阻挡放电，按驱动因素可以分为电场单独驱动和电场流场共同驱动两种，如何在大气压环境下产生大面积的低温等离子体是各种技术改进的直接动力。
[0004]目前大面积地产生低温等离子体主要三种方法:第一种方法是在两片金属电极之间加入阻挡介质形成的介质阻挡放电，呈容性的阻挡介质表面可以在放电时有效地集聚电荷形成反向电场，抑制放电电流的增长，从而在放电气隙空间内形成大面积的丝状放电，正如专利CN 203015262 U中所描述的，在放电气隙间通入诱导气体可以产生均匀弥散的低温等尚子体，产生的等尚子体中含有大量的亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子，可以用来进行物质材料表面改性和消毒杀菌，但固定的电极结构和狭窄的放电空间对待处理物的尺寸要求较高，适用性不强且灵活性不高。第二种方法采用组合电极的方法，可按照不同的需求进行组合而产生不同面积的和不同形状的低温等离子体，正如专利CN 102307425 A中所描述的，根据不同的需求添加不同数量的放电电极，使得放电通道增加，放电功率和传输电荷也相应地提高，相比于第一种方式，组合式电极的灵活性有所提升，但因放电机理所带来的放电空间狭窄问题依旧没有得到解决，无法应用于复杂三维物体的材料表面处理。第三种方法中，利用气流的流场将高压电场产生的等离子体带出放电区间，实现工作区间和放电空间的分离，形成大气压等离子体射流;正如专利CN 103945627 A中描述的，由于单根射流的面积较小，有研究人员将多根射流并联叠加，组合成等离子体射流阵列，提高放电功率和传输电荷，增加等离子体的处理面积，更重要的是等离子体射流阵列在处理复杂三维物体时效率更高，灵活性更强，但是由于每个射流单元的阻挡介质参数、气流分布以及电场分布无法保持一致，难以实现大面积均匀的低温等离子体。
【发明内容】
[0005]本发明提出的是一种大面积低温等离子体发生装置，其目的旨在提供一种能够在室内开放环境中产生适应待处理物的大面积低温等离子体的发生装置。
[0006]本发明的技术解决方案:一种大面积低温等离子体发生装置，其结构包括控制电路、高压电源1、阻抗匹配器2、绝缘手柄3、高压母接头4、高压电极、待处理物11;其中，高压电源I的输出口负极Ι-a接地，高压电源I的输出口正极Ι-b与阻抗匹配器2的输入端2-a相连;阻抗匹配器2的输出端2-b通过高压导线3-a与绝缘手柄3内部的高压母接头4的一端相连;高压母接头4的另一端与高压电极相连;高压电源I和市电之间接有控制电路;在高压电极和接地的待处理物11之间产生低温等离子体并直接作用于待处理物11的表面或者电极与待处理物11之间的物体。
[0007]本发明的优点:
1、电极和手柄配合增强了装置的灵活性，方便操作人员进行手持式处理。
[0008]2、设计了不同高压电极结构，根据实际情况选用不同的电极结构能够灵活满足不同的处理需求，实现大面积的等离子体处理；
3、调节串接电路内部的阻抗匹配器2能够实现放电功率和传输电荷的调节，能够根据不同的处理材料和处理要求改变放电的强度。
[0009]4、能够灵活应对多种处理情形，处理复杂的金属表面材料、电子设备屏幕和包装使用的薄膜材料、部分绝缘垫片形状的材料，同时还能安全地对人体表面进行处理，在生物表面实现消毒杀菌和止血凝血。
[0010]5、设计统一的高压电气接口，并将电极接口至于手柄内部，既能方便不同电极之间的更换，又可以保证工作时操作人员的安全性和装置的安全性。
[0011]6、可以直接在室内开放环境中产生接近室温低温等离子体，工作气体可以是空气，无须额外提供工作气体，也可以使用稀有气体、气体化合物或是它们的混合气体作为工作的诱导气体或辅助气体，进而可以满足各种生产工艺的需求。
[0012]7、整体装置结构紧凑，无需复杂的激励和控制回路，装置成本可控，故障率较低，工作稳定性高。
【附图说明】
[0013]附图1是一种大面积低温等离子体发生装置功能逻辑结构示意图。
[0014]附图2是配备A类高压电极的大面积低温等离子体发生装置结构示意图。
[0015]附图3是绝缘手柄结构示意图。
[0016]附图4是高压电极A结构示意图。
[0017]附图5是尚压电极B结构不意图。
[0018]附图6是高压电极C结构示意图。
[0019]附图7是控制电路结构示意图。
[0020]附图中I是高压电源、2是阻抗匹配器、Ι-a是高压电源输出端负极、Ι-b是高压电源输出端正极、2-a是阻抗匹配器的输入端、2-b是阻抗匹配器的输出端、2-c是可调电感调节旋钮、2_d是可调电容调节旋钮、2_e是有级调节旋钮、3是绝缘手柄、3_a是尚压导线、4是尚压母接头、5是高压公接头、6是A连接条绝缘外套、7是高压电极绝缘外套、8是高压电极绝缘环氧胶、9是高压电极阻挡介质、10是高压铜电极、11是待处理物、12是铜牙条、13是B连接条绝缘外套、14是封堵层、15是绝缘介质管、16是高压铜电极、17是铜牙条、18是C连接条绝缘外套、19是Y型支架、20是阻挡介质管、21是高压铜电极、22是整流模块、24是触点开关、23是闭合开关、25是A直流继电器、26是B直流继电器、27是总电源开关、28是高压导线、29是支架铣槽。
【具体实施方式】
[0021]对照附图，一种大面积低温等离子体发生装置，其结构包括控制电路、高压电源1、阻抗匹配器2、绝缘手柄3、高压母接头4、高压电极、待处理物11;其中，高压电源I的输出口负极Ι-a接地，高压电源I的输出口正极Ι-b与阻抗匹配器2的输入端2-a相连;阻抗匹配器2的输出端2-b通过高压导线3-a与绝缘手柄3内部的高压母接头4的一端相连;高压母接头4的另一端与高压电极相连;高压电源I和市电之间接有控制电路;在高压电极和接地的待处理物11之间产生低温等离子体并直接作用于待处理物11的表面或者电极与待处理物11之间的物体；
所述的控制电路包括整流模块22、触点开关24、闭合开关23、A直流继电器25、B直流继电器26、总电源开关27;其中，总电源开关27串联在火线上；总电源开关27闭合通电后一部分电能被送往整流电源模块，转变为12V直流电压输出，12V直流电压输出两条回路，一条回路路由闭合开关23和A直流继电器25串联组合而成，另一回路支路由触点开关24和B直流继电器26串联组合而成，两条支路共同控制着高压电源I的通断；另一部分电能经两个串联的A直流继电器25和B直流继电器26后被送往高压电源I;
使用时，先闭合总电源开关27，再闭合开关23，然后手动按下触点开关24，此时高压电源I通电，调整阻抗匹配器2在高压电极和待处理物11之间产生低温等离子体;使用该控制电路能提高高压电源I的工作效率，避免电源长时间的空载运行，并且能迅速地进入运行状态，在运行过程中，按下触点开关24，高压电源I立即断电，短时间的停机过程中不需要断开其它开关，装置需要重新投入工作时，再次按下手柄上的触点开关24，得电的高压电源I立即投入工作；同时，控制电路的三处开关以串联逻辑方式布置，当总电源开关27、闭合开关23、触点开关24同时闭合时，高压电源才工作，一旦装置出现意外，只要断开任意一处开关即可切断高压电源。
[0022]所述的阻抗匹配器2包括电阻、电容和电感元件；串接阻性的阻抗值在O ΜΩ-1ΜΩ，选取1kQ、20kQ、50kQ、100kQ和500kQ的阻值点进行阻抗配置;工作于不同状态时，阻抗匹配器2等效成不同的容性负载，高压电源I向阻抗匹配器2输出有功功率和容性无功功率;其中，可调电容调节范围3pF?50pF，可调电感调节范围0.6uH?3uH，在阻抗匹配器2的顶端有一个2-e有级调节旋钮用来实现不同阻抗值之间的切换，侧边的可调电感调节旋钮2-c用来调节可调电感数值大小，可调电容调节旋钮2-d用来调节可调电容值大小。
[0023]所述的高压电源I通电后产生高频高压波形或高压脉冲波形给阻抗匹配器2;阻抗匹配器2输出电压端与高压电极相连，形成一个相对于接地零电位的高压差;处于高压电势幅值的高压电极与待处理物11之间产生大面积低温等离子体，直接作用于待处理物表面。
[0024]所述的绝缘手柄3包括手柄外壳、高压母接头4和高压导线3-a;其中高压母接头4固定于手柄外壳3内部，高压母接头4头部距绝缘手柄3出口处10mm-20mm，高压母接头4的尾部经高压导线3-a与阻抗匹配器2的输出端相连，高压母接头4的头部攻螺纹6mm-8mm，所述手柄外壳采用聚四氟乙烯或聚醚酰亚胺塑料加工而成，手柄外壳厚度为5mm-7mm。
[0025]所述的高压电极为高压电极A、高压电极B、高压电极C中的一种。
[0026]所述的高压电极A包括高压公接头5、A连接条绝缘外套6、高压电极绝缘外套7、高压电极绝缘环氧胶8、高压电极阻挡介质9、高压铜电极10;其中，绝缘外套7包裹高压铜电极10，A连接条绝缘外套6包裹高压公接头5 ;高压电极绝缘环氧胶8连接A连接条绝缘外套6和高压公接头5，并固定于高压铜电极10的后端，防止电弧漏电；高压铜电极10的前段固定高压电极阻挡介质9;所述高压电极绝缘外套7材质为聚四氟乙烯或聚醚酰亚胺，内径20mm-23mm，外径3 Imm至36mm;所述高压铜电极10外径尺寸20mm-23mm;所述高压电极阻挡介质9是石英玻璃片，其厚度为0.5mm-l.5mm、直径为34mm;所述高压公接头5是铜牙条，其长度为20mm-25mm;A连接条绝缘外套6包裹在高压公接头5中间，A连接条绝缘外套6的长度为15mm-18mm，A连接条绝缘外套6材质为娃橡胶；
使用时，将高压电极旋进绝缘手柄3的内部，高压公接头5的一端与高压铜电极10连接，高压公接头5的另一端和高压母接头4通过螺纹连接，在高压电极阻挡介质9和待处理物11之间产生大面积低温等离子体，高压电极A产生SOOmm2-1OOOmm2的低温等离子体。
[0027]所述的高压电极B包括铜牙条12、B连接条绝缘外套13、绝缘介质管15、高压铜电极16;其中，高压铜电极16与绝缘介质管15内壁贴合，B连接条绝缘外套13包裹铜牙条12并露出铜牙条12两端，铜牙条12连接高压铜电极16尾部；
组装时，将高压铜电极16塞入绝缘介质管15的底部，使得高压铜电极16与绝缘介质管15内壁贴合，并在两者之间涂抹一层导电胶水排尽高压铜电极16和绝缘介质管15之间的空气，高压铜电极15尾部端面正中间攻一道直径的螺母，将覆盖有连接条绝缘外套13的铜牙条12拧入高压铜电极16尾部，并用高压电极环氧树脂胶水进行封堵，形成牢固的封堵层14，将组装好的高压电极B插入绝缘手柄3的高压母接头4中；工作时，高压电极B产生200mm2-400mm2低温等离子体；
所述绝缘介质管15材质为陶瓷管，陶瓷管厚度为5mm-7mm;高压铜电极16外径为7mm-8_，高压铜电极16底部呈与绝缘介质管15同样弧度的形状。
[0028]所述高压电极C包括铜牙条17、C连接条绝缘外套18、Y型支架19、阻挡介质管20、高压铜电极21、支架铣槽29、高压导线28;其中，高压铜电极21在阻挡介质管20内，Y型支架19分为上下两个部分，在上下两个贴合面上有支架铣槽29，高压铜电极21和阻挡介质管20的两端与Y型支架19的上下部分连接;高压导线28排布在支架铣槽29中，高压导线28—端与铜牙条17连接，另一端与高压铜电极21连接;C连接条绝缘外套18包裹铜牙条17并露出铜牙条17两立而；
所述阻挡介质管20为一个两端开口的陶瓷管，阻挡介质管20的管壁厚度为4mm，内径9mm-10mm，外径 17mm-18mm，长 16cm_18cm;高压电极21的直径为7_-9_，长度16011-18011;所述Y型支架19，材质为聚四氟乙烯或尼龙；
组装时，将高压铜电极21放入阻挡介质管20内部，并在高压铜电极21的外侧和阻挡介质管20的内侧涂抹一侧导电胶水以挤出间隙见残留的空气，在下部分Y型支架上安装高压铜电极21和阻挡介质管20，并在铣槽中排布高压导线28，然后将高压导线28顺着支架铣槽29连至Y型支架19的后端，与铜牙条17和连接条绝缘外套18相连，最后将上部分Y型支架合上固定住;工作时，高压电极C产生3500mm2-4000mm2面积的低温等离子体。
[0029]10.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述低温等离子体的温度在20°C-50°C之间。
[0030]所述低温等离子体指电子温度远大于其中重粒子温度的非平衡态等离子体，在室内开放环境中产生的低温等离子体温度在20°C-50°C之间。
[0031]配合高压电极A的整体装置可以应用于一定面积的薄膜沉积、大面积纺织物杀菌消毒以及小体积绝缘板材的表面改性，此外该装置还可以实现生物体表面的等离子体直接处理(此时生物体作为接地的待处理物11)，因此，本装置可以用于人体皮表组织的处理，夕卜加高压通过可调节的阻抗匹配器2，在高压电极A和人体表面的耦合间隙中产生低温等离子体，等离子体中包含大量的激发态粒子(如激发态的氮分子)、活性基团(如氢氧根、氧原子)和其它活性物质(包括臭氧、电子、紫外线)可以直接作用于人体表面(这里人体将作为接地的待处理物11)，由于高压电极A可以产生等离子体面积为800mm2-1000mm2，适合对手背和面部腮帮等表皮组织进行有效的杀菌消毒和清洁处理。
[0032]高压电极B的放电区域较高压电极A小，等离子体区域面积为200mm2-400mm2，能精细地处理形状较为复杂的生物表面和异形的材料表面，能进一步的应用于生物组织伤口的杀菌消毒、止血凝血和生物表皮的定点清洁，像手指间隙和耳背这些形状不规则、操作空间较小的区域均可使用该电极。
[0033]高压电极C产生的等离子体面积在3500mm2-4000mm2之间，由于配备了灵活便携的手柄，可以应用于大面积的薄膜处理(如大棚薄膜)、大面积的绝缘材料表面改性(如变压器内部绝缘板材的表面改性)和大面积的生物表面组织的杀菌消毒(如人体的腹部、腿肚和臂膀等)。
[0034]绝缘手柄3和不同的高压电极组合既方便使用人员的手持式灵活处理，又可以方便地在实验和工程的应用过程中进行机械固定，同时将高压母接头4深埋绝缘性能较好的手柄外壳3中可以提高装置整体的电气安全性，防止裸露高压电极发生漏电。
[0035]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0036]实施例1
高压电极A包括高压公接头5、连接条绝缘外套6、高压电极绝缘外套7、高压电极绝缘环氧胶8、高压电极阻挡介质9、高压铜电极10;其中，绝缘外套7将高压铜电极10包裹，连接条绝缘外套6将高压公接头5包裹，用高压电极绝缘环氧胶8将连接条绝缘外套6和高压公接头5固定于高压铜电极10的后端，防止电弧漏电；高压铜电极10的前段固定有高压电极阻挡介质9;所述高压电极绝缘外套7材质为聚四氟乙稀或聚醚酰亚胺，内径22mm，外径36mm;所述高压铜电极10外径尺寸22mm;所述高压电极阻挡介质9是厚度为0.5mm至1.5mm的石英玻璃片;所述高压公接头5是一段长25mm的铜牙条;高压公接头5中间包裹的连接条绝缘外套6长度为15mm，连接条绝缘外套6材质为硅橡胶，紧紧地吸附在高压公接头5的外部，两端露出铜牙条用于固定；
绝缘手柄3包括手柄外壳和高压母接头4;所述手柄外壳采用聚四氟乙烯或聚醚酰亚胺塑料加工而成，为保证装置的电气安全性，手柄外壳厚度为5mm至7mm;高压母接头4固定于手柄外壳3内部，高压母接头4头部距绝缘手柄3出口处14mm，高压母接头4的尾部经高压导线3-a与阻抗匹配器2的输出端2-b相连，高压母接头4的头部攻螺纹8_。
[0037]阻抗匹配器2包括电阻、电容和电感元件；阻抗匹配器成阻感或阻容性，串接阻性的最低阻抗为0(金属连接)，最高阻抗1ΜΩ，在O至1ΜΩ之间选取1kQ、20k Ω、50k Ω、10kΩ和500kQ的阻值点进行阻抗配置;工作于不同状态下的反应器可以等效成不同的容性负载，高压电源需要向反应器同时输出有功功率和容性无功功率，通过调节阻抗匹配器2内部的可调电容和可调电感，可以改变反应器负载的电气特性，进而提高电源的效率和使用寿命;其中可调电容调节范围3pF?50pF，可调电感调节范围0.6uH~3uH。在阻抗匹配器2的顶端有一个有级调节旋钮2-e可以实现不同阻抗值之间的切换，侧边的调节旋钮2-c可以调节可调电感数值大小，调节旋钮2-d可以调节可调电容值大小。
[0038]控制电路包括整流模块22、触点开关24、闭合开关23、A直流继电器25、B直流继电器26、总电源开关27;连接市电前，火线上串接一个总电源开关27;总电源开关27闭合通电后一部分电能被送往整流电源模块，转变为12V直流电压输出，12V直流电压供给两条控制回路，一条回路由闭合开关23和A直流继电器25串联组合而成，另一条回路由触点开关24和B直流继电器26串联组合而成，两条支路共同控制着高压电源I的通断；另一部分电能经两个串联的A直流继电器25和B直流继电器26后被送往高压电源I;使用时，先闭合总电源开关27，再闭合开关23，然后手动按住触点开关24不放，此时高压电源I通电，调整阻抗匹配器2在高压电极和待处理物11之间产生低温等离子体;使用该控制电路能极大的提高高压电源I的工作效率，避免电源长时间的空载运行，并且可以迅速地进入运行状态，在运行过程中，只要手指松开触点开关24，高压电源I立即断电，短时间的停机过程中不需要断开其它开关，装置需要重新投入工作时，只需要固定好电极位置，在此手动按下手柄上的触点开关24，再次得电的高压电源I可以立即投入工作，同时，控制电路的三处开关以串联逻辑方式布置，只有当总电源开关27、闭合开关23、触点开关24同时闭合时，高压电源才能工作，一旦装置出现意外，只要断开任意一处开关即可切断高压电源，因此，应用该控制电路可以提高装置整体的安全性。
[0039]安装过程中，将高压铜电极10从绝缘外套7的后端正对挤入，直到高压电极10的倒角前段与绝缘外套7的前段齐平，同时将连接条绝缘外套6套入高压公接头5上，保证高压公接头5两端各露出5_，将高压公接头5的一头固定于高压铜电极10的后端，并用高压电极环氧树脂胶8封堵高压铜电极10的后端，同时凝固的高压电极环氧树脂胶8还可以起到固定高压公接头5的作用。在高压铜电极10前段倒角处和绝缘外套7的空隙中涂抹一层0.5mm厚的高压电极环氧树脂胶8，将高压电极阻挡介质9盖在高压电极环氧树脂胶8的上方，等待树脂胶8的凝结；随后将高压电极A旋进绝缘手柄3的内部，高压公接头5的一端与高压铜电极10连接，高压公接头5的另一端和高压母接头4通过螺纹连接，闭合总电源开关27和开关23，闭合触点开关24，调节高压电源I电压至5kV左右，调节阻抗匹配器2的阻抗有级调节按钮2-e至O Ω档，手持手柄将高压电极A的前段正对待处理物11，高压电势能传递至高压铜电极10处，在高压电极阻挡介质9和待处理物11之间产生大面积的低温等离子体，调节阻抗匹配器2侧面的调节旋钮2-c和2-e可以在一定范围内调节放电的强度，提高电源的工作效率。
[0040]放电过程及等离子体发生原理说明和应用:在高压电极A内部的高压铜电极10上施加高压时，会在高压铜电极10的附近产生强电场，高压铜电极绝缘外套7具有较高的介电强度和体积电阻率，能有效降低绝缘外套周围的墙电场，同时，高压铜电极10前段较薄的高压电极阻挡介质9可以有效的透过强电场，当高压电极A的前段与一较低电势的待处理物11正对时，高压电极阻挡介质9的前段和待处理物11之间的区域内产生高压电场，提高施加于高压铜电极10上的电压值可以有效提高空间的电场强度，电场强度越高，因此间隙中的电子在电场中加速获得更多的动能，当电场强度高于一定值时，电子动能达到一定阈值，碰撞使得周围重粒子发生电离，形成电子崩，电子崩迅速发展成贯穿于整个放电通道流注，高压铜电极10上覆盖的高压电极阻挡介质9可以限制放电电流的增长，避免电弧的产生，有助于形成大面积的等离子体放电，本装置的优点是可以在空气的环境中产生大面积的低温等离子体，一次产生的等离子体面积为SOOmm2至1000mm2，温度约为20 °C至50°C，配备手柄，可以灵活地处理复杂形状的导电性物体和部分较薄的材料。
[0041]本高压电极A直接与导电性金属作用时，可以在空气中高效地产生大面积的包含活性物质高温等离子体，可以用于生物医疗领域中医疗设备和工具的消毒处理，比如手术刀、手术剪等。具有操作灵活性和放电高效性的高压电极A，还可以用于食品领域食物的杀菌消毒，在处理含有一定水分的食物时，高压电极A可以与食物表面进行电荷交换时产生活性基团(如氢氧根和氧原子)和活性物质(如紫外线和臭氧)，能够在不产生任何残留物质的前提下进行有效的表面菌落灭活，提高食物的保存时间。
[0042]实施例2
高压电极B包括铜牙条12、连接条绝缘外套13、封堵层14、绝缘介质管15、高压铜电极16;其中，绝缘介质管15材质为陶瓷管，陶瓷管厚度为5mm至7mm;高压铜电极16外径为7_至8mm，高压铜电极16底部呈与绝缘介质管15同样弧度的形状;组装时，将高压铜电极16塞入绝缘介质管15的底部，使得高压铜电极16与绝缘介质管15内壁贴合，并在两者之间涂抹一层导电胶水排尽高压铜电极16和绝缘介质管15之间的空气，高压铜电极15尾部端面正中间攻一道直径6mm至8mm的螺母，将覆盖有连接条绝缘外套13的铜牙条12拧入高压铜电极15尾部，并用高压电极环氧树脂胶水进行封堵，形成牢固的封堵层14，将组装好的高压电极B插入绝缘手柄3的高压母接头4中，即可正常工作。使用高压电极B理论上能够产生200mm2至400mm2的大面积低温等离子体。
[0043]绝缘手柄3包括手柄外壳和高压母接头4;所述手柄外壳采用聚四氟乙烯或聚醚酰亚胺塑料加工而成，为保证装置的电气安全性，手柄外壳厚度为5mm至7mm;高压母接头4固定于手柄外壳3内部，高压母接头4头部距绝缘手柄3出口处14mm，高压母接头4的尾部经高压导线3-a与阻抗匹配器2的输出端2-b相连，高压母接头4的头部攻螺纹8_。
[0044]阻抗匹配器2包括电阻、电容和电感元件；阻抗匹配器成阻感或阻容性，串接阻性的最低阻抗为0(金属连接)，最高阻抗1ΜΩ，在O至1ΜΩ之间选取1kQ、20k Ω、50k Ω、10kΩ和500kQ的阻值点进行阻抗配置;工作于不同状态下的反应器可以等效成不同的容性负载，高压电源需要向反应器同时输出有功功率和容性无功功率，通过调节阻抗匹配器2内部的可调电容和可调电感，可以改变反应器负载的电气特性，进而提高电源的效率和使用寿命;其中可调电容调节范围3pF?50pF，可调电感调节范围0.6uH~3uH。在阻抗匹配器2的顶端有一个有级调节旋钮2-e可以实现不同阻抗值之间的切换，侧边的调节旋钮2-c可以调节可调电感数值大小，调节旋钮2-d可以调节可调电容值大小。
[0045]控制电路包括整流模块22、触点开关24、闭合开关23、A直流继电器25、B直流继电器26、总电源开关27;连接市电前，火线上串接一个总电源开关27;总电源开关27闭合通电后一部分电能被送往整流电源模块，转变为12V直流电压输出，12V直流电压供给两条控制回路，一条回路由闭合开关23和A直流继电器25串联组合而成，另一条回路由触点开关24和B直流继电器26串联组合而成，两条支路共同控制着高压电源I的通断；另一部分电能经两个串联的A直流继电器25和B直流继电器26后被送往高压电源I;使用时，先闭合总电源开关27，再闭合开关23，然后手动按住触点开关24不放，此时高压电源I通电，调整阻抗匹配器2在高压电极和待处理物11之间产生低温等离子体;使用该控制电路能极大的提高高压电源I的工作效率，避免电源长时间的空载运行，并且可以迅速地进入运行状态，在运行过程中，只要手指松开触点开关24，高压电源I立即断电，短时间的停机过程中不需要断开其它开关，装置需要重新投入工作时，只需要固定好电极位置，在此手动按下手柄上的触点开关24，再次得电的高压电源I可以立即投入工作。同时，控制电路的三处开关以串联逻辑方式布置，只有当总电源开关27、闭合开关23、触点开关24同时闭合时，高压电源才能工作，一旦装置出现意外，只要断开任意一处开关即可切断高压电源，因此，应用该控制电路可以提高装置整体的安全性。
[0046]使用时，先将高压电极B旋入手柄3的高压母接头中，闭合总电源开关27和开关23，闭合触点开关24，调节高压电源I电压至5kV左右，调节阻抗匹配器2的阻抗有级调节按钮2-e至500kQ档，手持手柄将高压电极B的前段正对待处理物11，高压电势能传递至高压铜电极16处，在高压电极B的绝缘介质管15和待处理物11之间产生大面积的低温等离子体，调节阻抗匹配器2侧面的调节旋钮2-c和2-e可以在一定范围内调节放电的强度，提高电源的工作效率。理论上，产生的等离子体面积在200mm2至400mm2之间，温度约为20°C至50°C。
[0047]放电过程及等离子体发生原理说明和应用:在高压电极B内部的高压铜电极16上施加高压时，会在高压铜电极B的附近产生强电场。高压铜电极16外部具有较高介电常数的高压电极阻挡介质15可以有效地透过强电场，当高压电极B的前段与一个处于低电势的待处理物11正对时，高压电极阻挡介质15的前段和待处理物11之间的区域内产生高压电场，提高施加于高压铜电极16上的电压值可以有效提高空间的电场强度，电场强度越高，因此间隙中的电子在电场中加速获得更多的动能。当电场强度高于一定值时，电子动能达到一定阈值，碰撞使得周围重粒子发生电离，形成电子崩，电子崩迅速发展成贯穿于整个放电通道流注。高压铜电极16上覆盖的高压电极阻挡介质15可以限制放电电流的增长，避免电弧的产生，有助于形成大面积的等离子体放电，本装置的优点是可以在空气的环境中产生大面积的低温等离子体，一次产生的等离子体面积为200mm2至400mm2’，温度约为20°C至50°C。配备手柄，可以灵活地处理复杂形状的导电性物体和部分较薄的材料，此外，若将待处理物换成含有较大介电常数的生物体时(生物体中含有较多的水分，水的介电常数为81，且体液中含有大量的电解质)，当放电功率较低时，可以直接处理人体表面。
[0048]本高压电极B产生的等离子体温度和粒子活性适中，反应柔和，粒子含量适中；适用于等离子体医学对于人体柔和无刺激的处理与治疗，比如皮肤深度清洁、祛斑祛痘、美白嫩肤等。
[0049]实施例3
高压电极C包括铜牙条17、连接条绝缘外套18、Y型支架19、阻挡介质管20、高压铜电极21、支架铣槽29和高压导线28;其中，高压铜电极21装在阻挡介质管20内，阻挡介质管20为一个两端开口的陶瓷管，阻挡介质管20的管壁厚度为4mm，内径9mm至10mm，外径17mm至18mm，长16cm至18cm;高压电极21的直径为7mm至9mm，长度16cm至18cm;将高压铜电极21放入阻挡介质管20内部，并在高压铜电极21的外侧和阻挡介质管20的内侧涂抹一侧导电胶水以挤出间隙见残留的空气;所述Y型支架19，材质为聚四氟乙烯或尼龙，Y型支架19分为上下两个部分，在上下两个贴合面上有铣槽29;组装时，先在下部分Y型支架上安装高压铜电极21和阻挡介质管20，并在铣槽中排布高压导线28，然后将高压导线28顺着铣槽连至Y型支架19的后端，与铜牙条17和连接条绝缘外套18相连，最后将上部分Y型支架合上固定住。若使用高压电极C配合足够功率的高压电源时，能够产生3500mm2至4000mm2的大面积低温等离子体。
[0050]绝缘手柄3包括手柄外壳和高压母接头4;所述手柄外壳采用聚四氟乙烯或聚醚酰亚胺塑料加工而成，为保证装置的电气安全性，手柄外壳厚度为5mm至7mm;高压母接头4固定于手柄外壳3内部，高压母接头4头部距绝缘手柄3出口处14mm，高压母接头4的尾部经高压导线3-a与阻抗匹配器2的输出端2-b相连，高压母接头4的头部攻螺纹8_。
[0051]阻抗匹配器2包括电阻、电容和电感元件；阻抗匹配器成阻感或阻容性，串接阻性的最低阻抗为0(金属连接)，最高阻抗1ΜΩ，在O至1ΜΩ之间选取1kQ、20k Ω、50k Ω、10kΩ和500kQ的阻值点进行阻抗配置;工作于不同状态下的反应器可以等效成不同的容性负载，高压电源需要向反应器同时输出有功功率和容性无功功率，通过调节阻抗匹配器2内部的可调电容和可调电感，可以改变反应器负载的电气特性，进而提高电源的效率和使用寿命;其中可调电容调节范围3pF?50pF，可调电感调节范围0.6uH~3uH。在阻抗匹配器2的顶端有一个有级调节旋钮2-e可以实现不同阻抗值之间的切换，侧边的调节旋钮2-c可以调节可调电感数值大小，调节旋钮2-d可以调节可调电容值大小。
[0052]控制电路包括整流模块22、触点开关24、闭合开关23、A直流继电器25、B直流继电器26、总电源开关27;连接市电前，火线上串接一个总电源开关27;总电源开关27闭合通电后一部分电能被送往整流电源模块，转变为12V直流电压输出，12V直流电压供给两条控制回路，一条回路由闭合开关23和A直流继电器25串联组合而成，另一条回路由触点开关24和B直流继电器26串联组合而成，两条支路共同控制着高压电源I的通断；另一部分电能经两个串联的A直流继电器25和B直流继电器26后被送往高压电源I;使用时，先闭合总电源开关27，再闭合开关23，然后手动按住触点开关24不放，此时高压电源I通电，调整阻抗匹配器2在高压电极和待处理物11之间产生低温等离子体;使用该控制电路能极大的提高高压电源I的工作效率，避免电源长时间的空载运行，并且可以在短暂的停机后迅速地进入运行状态，在运行过程中，只要手指松开触点开关24，高压电源I立即断电，短时间的停机过程中不需要断开其它开关，装置需要重新投入工作时，只需要固定好电极位置，在此手动按下手柄上的触点开关24，再次得电的高压电源I可以立即投入工作。同时，控制电路的三处开关以串联逻辑方式布置，只有当总电源开关27、闭合开关23、触点开关24同时闭合时，高压电源才能工作，一旦装置出现意外，只要断开任意一处开关即可切断高压电源，因此，应用该控制电路可以提高装置整体的安全性。
[0053]使用前，将高压电极C旋进绝缘手柄3的内部，高压公接头17的一端与高压导线28连接，另一端和高压母接头4通过螺纹连接。闭合总电源开关27和开关23，闭合触点开关24，调节高压电源I电压至5kV左右，调节阻抗匹配器2的阻抗有级调节按钮2-e至O Ω档，手持手柄将高压电极A的前段正对待处理物11，高压电势能传递至高压铜电极21处，在高压电极阻挡介质20和待处理物11之间产生大面积的低温等离子体，调节阻抗匹配器2侧面的调节旋钮2-c和2-e可以在一定范围内调节放电的强度，提高电源的工作效率。
[0054]放电过程及等离子体发生原理说明和应用:在高压电极C内部的高压铜电极21上施加高压时，会在高压铜电极C的附近产生强电场。高压铜电极21周围具有较高的介电常数的高压电极阻挡介质20可以有效的透过强电场，当高压电极A的前段与一个较低电势的待处理物11正对时，高压电极阻挡介质20的前段和待处理物11之间的区域内产生高压电场，提高施加于高压铜电极21上的电压值可以有效提高空间的电场强度，电场强度越高，因此间隙中的电子在电场中加速获得更多的动能。当电场强度高于一定值时，电子动能达到一定阈值，碰撞使得周围重粒子发生电离并形成电子崩，电子崩迅速发展成贯穿于整个放电通道流注。高压铜电极21上覆盖的高压电极阻挡介质20可以限制放电电流的增长，避免电弧的产生，有助于形成大面积的等离子体放电。本装置的优点是可以在空气的环境中产生大面积的低温等离子体，一次产生的等离子体面积为3500mm2至4000mm2’，温度约为20°C至5(TC，配备的手柄可以允许使用者灵活地处理复杂形状的导电性物体和部分较薄的材料。
[0055]本高压电极C具有放电面积大、处理灵活性高、放电强度高等优点，在薄膜材料表面处理方面有一定的优势:空气中产生的等离子体中含有大量的含氧活性粒子，有足够的能量与材料表面作用，打开材料表面化学键，引入亲水性基团，进而提高材料表面能和材料表面的亲水性，因此高压电极C可以用于汽车内部饰物表面处理、电子产品屏幕薄膜、复合板材的夹层处理、大棚薄膜表面处理等领域。操作灵活、放电高效的高压电极C，还可以用于食品领域食物的杀菌消毒，在处理含有一定水分的食物时，高压电极C可以与食物表面进行电荷交换时产生活性基团(如氢氧根和氧原子)和活性物质(如紫外线和臭氧)，能够在不产生任何残留物质的前提下进行有效的表面菌落灭活，延长食物的保存时间。
【主权项】
1.一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是包括控制电路、高压电源、阻抗匹配器、绝缘手柄、高压母接头、高压电极、待处理物;其中，高压电源的输出口负极接地，高压电源的输出口正极与阻抗匹配器的输入端相连;阻抗匹配器的输出端通过高压导线与绝缘手柄内部的高压母接头的一端相连;高压母接头的另一端与高压电极相连;高压电源和市电之间接有控制电路;在高压电极和接地的待处理物之间产生低温等离子体并直接作用于待处理物的表面或者电极与待处理物之间的物体。2.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的控制电路包括整流模块、触点开关、闭合开关、A直流继电器、B直流继电器、总电源开关;其中，总电源开关串联在火线上;总电源开关闭合通电后一部分电能被送往整流电源模块，转变为12V直流电压输出，12V直流电压输出两条回路，一条回路路由闭合开关和A直流继电器串联组合而成，另一回路支路由触点开关和B直流继电器串联组合而成，两条支路共同控制着高压电源的通断；另一部分电能经两个串联的A直流继电器和B直流继电器后被送往高压电源； 使用时，先闭合总电源开关，再闭合开关，然后按下触点开关，此时高压电源通电，调整阻抗匹配器在高压电极和待处理物之间产生低温等离子体;使用该控制电路能提高高压电源的工作效率，避免电源长时间的空载运行，并且能迅速地进入运行状态，在运行过程中，按下触点开关，高压电源立即断电，短时间的停机过程中不需要断开其它开关，装置需要重新投入工作时，再次按下手柄上的触点开关，得电的高压电源立即投入工作；同时，控制电路的三处开关以串联逻辑方式布置，当总电源开关、闭合开关、触点开关同时闭合时，高压电源才工作，一旦装置出现意外，只要断开任意一处开关即可切断高压电源。3.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的阻抗匹配器包括电阻、电容和电感元件；串接阻性的阻抗值在O ΜΩ-1ΜΩ，选取1kQ、20kQ、50kΩ、100kQ和500kQ的阻值点进行阻抗配置;工作于不同状态时，阻抗匹配器等效成不同的容性负载，高压电源向阻抗匹配器输出有功功率和容性无功功率;其中，可调电容调节范围3pF?50pF，可调电感调节范围0.6uH?3uH，在阻抗匹配器的顶端有一个有级调节旋钮用来实现不同阻抗值之间的切换，侧边的可调电感调节旋钮用来调节可调电感数值大小，可调电容调节旋钮用来调节可调电容值大小。4.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的高压电源通电后产生高频高压波形或高压脉冲波形给阻抗匹配器;阻抗匹配器输出电压端与高压电极相连，形成一个相对于接地零电位的高压差;处于高压电势幅值的高压电极与待处理物之间产生大面积低温等离子体，直接作用于待处理物表面。5.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的绝缘手柄包括手柄外壳、高压母接头和高压导线;其中高压母接头固定于手柄外壳内部，高压母接头头部距绝缘手柄出口处10mm-20mm，高压母接头的尾部经高压导线与阻抗匹配器的输出端相连，高压母接头的头部攻螺纹6mm-8mm，所述手柄外壳采用聚四氟乙烯或聚醚酰亚胺塑料加工而成，手柄外壳厚度为5mm-7mm。6.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的高压电极为高压电极A、高压电极B、高压电极C中的一种。7.根据权利要求6所述的一种灵活的大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的高压电极A包括高压公接头、A连接条绝缘外套、高压电极绝缘外套、高压电极绝缘环氧胶、高压电极阻挡介质、高压铜电极;其中，绝缘外套包裹高压铜电极，A连接条绝缘外套包裹高压公接头;高压电极绝缘环氧胶连接A连接条绝缘外套和高压公接头，并固定于高压铜电极的后端，防止电弧漏电；高压铜电极的前段固定高压电极阻挡介质;所述高压电极绝缘外套材质为聚四氟乙稀或聚醚酰亚胺，内径20mm-23mm，外径31mm-36mm;所述高压铜电极外径尺寸20mm-23mm;所述高压电极阻挡介质是石英玻璃片，其厚度为0.5mm-l.5mm、直径为34mm;所述高压公接头是铜牙条，其长度为20mm-25mm; A连接条绝缘外套包裹在高压公接头中间，A连接条绝缘外套的长度为15mm-18mm，A连接条绝缘外套材质为娃橡胶； 使用时，将高压电极旋进绝缘手柄的内部，高压公接头的一端与高压铜电极连接，高压公接头的另一端和高压母接头通过螺纹连接，在高压电极阻挡介质和待处理物之间产生大面积低温等离子体，高压电极A产生SOOmm2-1OOOmm2的低温等离子体。8.根据权利要求6所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述的高压电极B包括铜牙条、B连接条绝缘外套、绝缘介质管、高压铜电极;其中，高压铜电极与绝缘介质管内壁贴合，B连接条绝缘外套包裹铜牙条并露出铜牙条两端，铜牙条连接高压铜电极尾部； 组装时，将高压铜电极塞入绝缘介质管的底部，使得高压铜电极与绝缘介质管内壁贴合，并在两者之间涂抹一层导电胶水排尽高压铜电极和绝缘介质管之间的空气，高压铜电极尾部端面正中间攻一道直径的螺母，将覆盖有连接条绝缘外套的铜牙条拧入高压铜电极尾部，并用高压电极环氧树脂胶水进行封堵，形成牢固的封堵层，将组装好的高压电极B插入绝缘手柄的高压母接头中；工作时，高压电极B产生200mm2-400mm2低温等离子体； 所述绝缘介质管材质为陶瓷管，陶瓷管厚度为高压铜电极外径为7mm-8mm，高压铜电极底部呈与绝缘介质管同样弧度的形状。9.根据权利要求6所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述高压电极C包括铜牙条、C连接条绝缘外套、Y型支架、阻挡介质管、高压铜电极、支架铣槽、高压导线;其中，高压铜电极在阻挡介质管内，Y型支架分为上下两个部分，在上下两个贴合面上有支架铣槽，高压铜电极和阻挡介质管的两端与Y型支架的上下部分连接;高压导线排布在支架铣槽中，高压导线一端与铜牙条连接，另一端与高压铜电极连接;C连接条绝缘外套包裹铜牙条并露出铜牙条两端； 所述阻挡介质管为一个两端开口的陶瓷管，阻挡介质管的管壁厚度为4mm，内径9mm-10mm，外径17mm-18mm，长16cm_18cm;高压电极的直径为7mm-9mm，长度16cm_18cm;所述Y型支架，材质为聚四氟乙烯或尼龙； 组装时，将高压铜电极放入阻挡介质管内部，并在高压铜电极的外侧和阻挡介质管的内侧涂抹一侧导电胶水以挤出间隙见残留的空气，在下部分Y型支架上安装高压铜电极和阻挡介质管，并在铣槽中排布高压导线，然后将高压导线顺着支架铣槽连至Y型支架的后端，与铜牙条和连接条绝缘外套相连，最后将上部分Y型支架合上固定住;工作时，高压电极C产生3500mm2-4000mm2面积的低温等离子体。10.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体发生装置，其特征是所述低温等离子体的温度为20°C_50°C。
【文档编号】H05H1/24GK106028615SQ201610627592
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月3日
【发明人】方志, 张波
【申请人】南京工业大学