专利名称：常压射频和直流混合型冷等离子体发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体发生器，尤指常压下射频和直流混合型冷等离子体发生器。
背景技术：
等离子体技术是在近年才迅速发展起来的，并已得到广泛的应用，例如可用于(1)微电子工业硅片清洗，替代目前的酸和去离子水清洗。(2)清洗所有的生化污染表面，包括被生化武器污染的表面和空间。(3)替代湿化学法，可用于制药和食品行业原位消毒。(4)用于医疗器件消毒和皮肤病的治疗。(5)用于清洗放射性材料表面，试验证明等离子体技术是目前唯一可行的手段，而目前世界上的废弃放射性材料只能填埋处理。(6)食品保鲜杀菌。(8)纺织企业衣料改性。(9)刻蚀金属、半导体和电介质材料等。
在空气中，要使气体击穿电离产生等离子体需要几千伏的高压。目前生成等离子体主要有两种方式一种是利用电弧产生等离子体，电弧放电时气体温度将高达3000℃以上，产生的直流热平衡等离子体炬，可用于金属的切割、焊接和表面喷涂。但高温的等离子体炬也限制了它的用途，因为它会烧毁所有面对的物品。另一种方式是利用电晕放电产生等离子体，但电晕放电难以产生均匀大面积等离子体，在几千伏的高压下，电流范围仅为微安培量级，一般只是用来产生臭氧作消毒用。现有的等离子体技术要使气体在非高压下击穿产生等离子体，并维持稳定大面积非热放电，只能在真空室中进行，从而限制了它的应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，能在大气压下稳定工作并能产生多孔喷出的冷等离子体束流，从而为等离子体技术在清洗、杀菌、消毒等广泛领域的应用开辟了道路。
为了达到上述目的，本实用新型提供一种常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，其特征在于于该外壳内设有射频电极和包覆在该射频电极外围的地电极，以及直流加速电极。该射频电极与地电极之间设有绝缘体，直流电极和地电极之间也设有绝缘体，该射频电极与地电极之间设有射频放电区间，该直流电极与该地电极之间设有直流加速段。该射频放电区间一端通过绝缘材料通气孔与进气导管相通，该进气导管与供气源连通，另一端通过地电极的多孔喷口进入直流加速段，经射频电离后的等离子体再通过直流加速段，经过进一步电离和加速后由直流电极的多孔喷口和外壳喷口喷出。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于于该外壳内设有射频电极和地电极，地电极包覆在该射频电极外围，该直流电极包覆在该地电极外围，该射频电极，地电极和直流电极均为中空的圆筒形，该射频电极的内腔与进气导管连通，该射频电极与地电极之间设有圆筒形绝缘体，该绝缘体设有一沿其轴向贯通的长条形贯通槽，该贯通槽形成射频放电区间，该射频电极周壁上对应该贯通槽设有多数通气孔，该地电极周壁上设有多数对应该贯通槽的喷口；该地电极与该直流电极之间设有圆筒形绝缘体，该绝缘体设有一与上述对应的沿其轴向贯通的长条形贯通槽，在该贯通槽形成直流加速段对等离子体进一步加速和电离，该直流电极周壁上对应该贯通槽设有多数喷口。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该外壳内设有射频电极，地电极和直流电极，地电极包覆在该射频电极外围，该射频电极与地电极之间设有绝缘体，该射频电极包括互相连接的中空的小径段、过渡段及大径段，该小径段为外径较小的圆筒形，该过渡段为喇叭形，该大径段为外径较大的圆筒形，该大径段具有周壁和端壁，于该大径段的端壁上设有多数贯通孔，该小径段的内腔与进气导管连通，该地电极为圆筒形且具有与该射频电极对应的周壁和端壁，该射频电极与地电极之间设有绝缘体，该绝缘体在相对该射频电极的端壁与该地电极的端壁之间设有一与上述贯通孔相对应的一通孔，在该通孔形成射频放电区间，该地电极的端壁上对应设有多数喷口；该直流电极是带有多孔的金属圆板构成，该直流电极与该地电极的端壁平并设有与该地电极相应的通孔，该直流电极与该地电极之间也设有绝缘体，该绝缘体在地电极的端壁与直流电极之间设有一与上述射频放电区贯通的对应通孔，在该通孔形成直流加速段，该直流电极有带有喷口的绝缘材料包覆。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该射频电源是13.56MHz或27.12MHz的射频电源。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该等离子体放电是在正常大气压下进行的，并且是有射频低电压击穿气体，气体被射频击穿时的均方根电压为50伏至250伏范围。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于经射频源击穿后的气体形成等离子体，该等离子体再经直流加速段进一步电离和加速后向外喷出，直流电源的功率小于500W。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该供气源所供气体是氩气或氦气。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该供气源所供气体是氩气或氦气与少量的反应气体或液体的混合气体。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该部分反应气体可通过直流电极和地电极之间的绝缘材料内的通气孔引入。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该射频电极，地电极和直流电极分别设有多孔喷口。
所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，当其功率超过300瓦时，可在该射频电极，地电极和直流电极外围分别设冷却循环水管。
本实用新型的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器能在大气压下稳定工作，其优点是1，采用射频电源在常压下能产生均匀大面积的冷等离子体，过去此类冷等离子体只能在真空室里发生。2，采用直流电源所提供的直流偏压电场对所产生的冷等离子体进一步电离加速。3，在该射频电极，地电极和直流电极分别设有多孔喷口，以便提高喷出等离子体束流的面积。4，不但能用氦气作为载入工作气体，而且可以用氩气作为载入工作气体，并可以添加其它任何反应气体和液体成份。5，部分反应气体可通过直流电极和地电极之间的绝缘材料内的通气孔引入。6，其喷出的等离子体束流温度通常小于200摄氏度，而喷出束流中几乎不含有离子成份。7，直接可以采用13.56MHz或27.12MHz的射频电源来激发放电，其击穿放电时的均方根电压仅为50伏至250伏之间，因此它不同于高压电晕放电，起辉频率范围为1至100千赫兹，起辉均方根电压为1至5千伏。
本实用新型的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器可喷出含有大量的亚稳态的活性成份的冷等离子体束流，由于是在大气压下，因此该束流几乎不含有离子成份。本发明的主要用途是通过喷出的含有大量活性成份的大面积等离子体束流，可用于清洗所有有机物质所带来的表面污染和生物病毒和细菌所造成的表面污染，例如，用氧气作为反应气体时，其活性氧能很快与有机和生物体反应形成二氧化炭和水，由于束流温度较低，所以用它对被污染物体表面进行清洗和灭菌时不会对基底造成破坏，也不会带来二次污染。通过改变不同的反应气体，可用于对物体表面进行改性，刻蚀有机和无机材料以及化学气相沉积薄膜材料。
通过改变放电功率，气体流量，气体成份可以控制等离子体束流喷出的长度和避免电极之间的拉弧现象。
图1为本实用新型的第一种实施例的结构剖视示意图；图2为本实用新型的第二种实施例的结构剖视示意图；图3为本实用新型的第三种实施例的结构剖视示意图。
首先，请参阅图1，本实用新型的常压射频和直流混合型冷等离子体系统，包括喷枪、射频电源101、供气源102，该喷枪包括一外壳，该外壳由绝缘体104，地电极105和绝缘体111构成，该外壳一端设有绝缘体104，另一端设有绝缘材料喷口117，于该外壳内设有射频电极103，中空的地电极105和直流电极112，该射频电极103为圆锥形，其朝向外壳封闭材料104的一端的外径较大，朝向地电极多孔喷口115的一端外径较小，地电极105包覆在该射频电极103外围，该地电极105的内腔具有与该射频电极103对应的形状并在其端面上开设有多孔喷口115(图中黑白间隙所示，小圆孔的直径取值可为0.5至1.5毫米范围，在其端面上均布)，该射频电极103通过射频电缆109与射频电源101连接，该地电极105接地，该射频电极103与地电极105之间靠近外壳的封闭端处设有绝缘体104，该绝缘体104内设有对称通孔120，该通孔与进气导管107连接，该进气导管107通过减压控制阀门106与供气源102连通，该射频电极103与地电极105之间形成射频放电区间108，该射频放电区间108一端与该地电极多孔喷口115相通。该直流电极112由绝缘材料111和113包覆，该绝缘材料113设有一喷口117，绝缘材料111内设有一内通气孔119，该内通气孔与进气导管122连通，该进气导管122通过气阀121和减压阀门106与供气源102连通，该直流电极端面上设有多孔喷口116(图中黑白间隙所示，小圆孔的直径取值可为0.5至1.5毫米范围，在其端面上均布)，该直流电极与直流电源118连结，在该直流电极和该地电极端面之间的绝缘材料111的空腔114内形成直流放电区间，该直流放电空腔114称为直流加速段。该直流电极112，该地电极105及该射频电极103可由金属材料，如不锈钢，铝，铜等加工制成，绝缘体104，111及113可用陶瓷、聚四氟乙烯等绝缘材料。
射频电源101可采用13.56MHz或27.12MHz或其它频率的射频电源来激发放电，放电是在常压下进行的。
本实用新型的常压射频冷等离子体喷枪的射频电极103为圆锥形，建立圆锥筒形的放电区间108，因放电区间108的曲率半径不同，因此更有利于气体的击穿。设有直流加速段114，有利于进一步提高电离率和提高喷出等离子体束流的速度，进而提高喷出等离子体的长度；本实用新型的在常压下可直接激发氩气形成稳定的冷氩等离子体。该射频电极103由射频源电缆109连接射频电源101。可采用氩气或氦气作为载入气体，并混入部分反应气体，气体流量可由控制减压阀门106和气体流量计来控制，进气导管107和122可采用外径为6毫米内径为4毫米或其它接近直径的气体导管，与喷枪连接处用橡皮圈密封。绝缘体104还起到密封电极末端的作用，绝缘体113起到对外绝缘直流电极112的作用，混合气体经过放电区间108后，由地电极多孔喷口115喷向直流加速段114，调节直流加速段的放电功率和电压，使喷出直流电极多孔喷口和外壳喷口117的冷等离子体束流适合各种应用的目的。
请参阅图2，本实用新型的第二种实施例。该喷枪射频电极202，地电极205和直流电极213均为中空的圆筒形，该射频电极202与该地电极205之间设有圆筒形绝缘体204，该直流电极213与该地电极205之间设有圆筒形绝缘体212，该射频电极202的内腔通过绝缘材料204内通气孔209与进气导管连通，该进气导管通过控制减压阀门206与供气源203连通，该绝缘体204设有一沿其轴向贯通的长条形贯通槽222，在该贯通槽222形成射频放电区间，该绝缘体212设有一沿其轴向对应贯通槽222的长条形贯通槽233，在贯通槽233形成直流放电区间，称为直流加速段，该直流电极与直流电源218连接。在射频电极202周壁上，地电极205周壁上以及直流电极213的周壁上分别对应贯通槽222和贯通槽233设有多数通气孔221，223以及234(图中黑白间隙所示，小圆孔的直径取值可为0.5至1.5毫米范围，沿其周壁上均布)，该上下贯通槽和三个电极上的多数通气孔相互贯通。该射频电极202由射频源电缆208连接射频电源201。
绝缘体215与三个电极之间的左侧端部由橡皮圈密封，并使射频电极和直流电极对外绝缘；绝缘材料214包覆直流电极213是为了使直流电极对外绝缘，在该绝缘材料214上对应直流电极的多数孔设有喷口216。
混合气体被引入到射频电极空腔2020后，经过射频电极多个喷口221后进入射频放电区间222，经射频电离后形成等离子体，该等离子体由地电极205周壁上所设的多数对应的喷口223喷向直流加速段233，调节直流加速段的放电功率和电压，使喷出直流电极多孔喷口234和外壳喷口216的冷等离子体束流适合各种应用的目的。
射频电源201可采用13.56MHz或27.12MHz或其它频率的射频电源来激发放电，放电是在常压下进行的。
上述第二实施例其放电是在三个同心金属圆筒之间形成两个条状的放电区间放电区间，目的是把集中在一个较大的喷口的等离子体束流，分解为直径较小的等离子体束流，并使其分布在一个条形的区间向外喷出。直流加速段233对喷出地电极多数喷口223的等离子体起到进一步加速作用，该喷枪可以大大提高喷出束流的线宽度。
请参阅图3，本实用新型的第三种实施例的常压射频和直流混合型冷等离子体喷枪，该射频电极303包括互相连接的中空的小径段3031、过渡段3032及大径段3033，该小径段3031为外径较小的圆筒形，过渡段3032为喇叭形，该大径段3033为外径较大的圆筒形，该大径段3033具有周壁3034和端壁3035，于该大径段的端壁3035上设有多数贯通孔3036(图中黑白间隙所示，小圆孔的直径取值可为0.5至1.5毫米范围，在其端面上均布)，该小径段3031的内腔305通过绝缘材料312内通气孔3042与该进气导管309连通，该进气导管309通过控制阀门307与供气源302连通，该射频电极303由射频源电缆308连接射频电源301。包覆在该射频电极303外围的地电极306亦为圆筒形且具有与该射频电极对应的周壁3061和端壁3062，该射频电极303与地电极306之间设有绝缘体304，该绝缘体304在相对该射频电极的端壁3035与该地电极的端壁3062之间设有一与上述贯通孔相对应的一通孔3041，该通孔3041形成射频放电区间，该射频电极的端壁3035和该地电极的端壁3062平行，该地电极的端壁3062上对应通孔3041设有多数喷口311(图中黑白间隙所示，小圆孔的直径取值可为0.5至1.5毫米范围，在其端面上均布)，包覆在地电极的右端部设有圆板形直流电极3210和绝缘体3501，该直流电极3210与地电极端壁3062平行，该绝缘材料3501内设有一对应地电极多数喷口311的通孔3052，在该通孔3052内形成直流加速段，该直流电极端壁设有多数喷口313(图中黑白间隙所示，小圆孔的直径取值可为0.5至1.5毫米范围，在其端面上均布)，直流电极3210通过导线与直流电极333连接，该绝缘材料3501内设有一内空3070，该内孔一端与进气导管3072连通，并通过控制阀门3071与供气源302连通，另一端与直流加速段3052连通。缘材料312包覆射频电极303后端并用橡皮圈密封，绝缘体3501和绝缘材料3503包覆直流电极3210目的是使直流电极对外绝缘，绝缘材料3503设有对应直流电极的多数喷口313的外壳喷口339。
本使用新型可以在常压下直接击穿混合气体形成等离子体，混合气体通过射频电极喷口3036后进入到射频放电区间3041形成等离子体，该等离子体由地电极306端壁上的多数喷口311喷向直流加速段3052，调节直流加速段的放电功率和电压，使喷出直流电极多孔喷口313和外壳喷口339的冷等离子体束流适合各种应用的目的。部分反应气体可以通过绝缘材料3501的内孔3070直接引入到直流加速段3052，以便提高反应气体所占气体总量的比例，也同时避免了过多反应气体(如超过总气体流量的5％)直接引入射频放电区就容易形成电极之间拉弧现象。
射频电源301可以分别采用频率为27.12MHz和13.56MHz电源，两种电源都可以与等离子喷枪单独使用，在常压下可直接激发氩气形成稳定的冷氩等离子体。
上述第三实施例使集中在一个较大的喷口的等离子体束流，分解为多个直径较小的等离子体束流向外喷出。该喷枪可以大大提高喷出束流的有效面积。
可以采用氩气或氦气作为载入工作气体，另外，可根据不同的需要，混合加入少量的反应气体或液体成份，如氧气，氮气，炭氟四，水等，反应气体所占总气体量的比例为5％以内。气体在放电区间被电离形成等离子体，然后通过喷口向外喷出带有大量活性原子和分子束流。根据需要选择放电时喷出等离子体的束流长度。
在放电总功率大于300瓦时，应对两个电极采用水冷，例如在该射频电极和地电极外围分别设冷却循环水管。当放电总功率小于300瓦时，没有必要使用水冷。
权利要求1.一种常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，包括喷枪、射频电源、直流电源、供气源，其特征在于于该喷枪包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，于该外壳内设有射频电极、包覆在该射频电极外围的地电极，以及直流电极。该射频电极与射频电源连接，该地电极接地，该直流电极与直流电源连接，该射频电极与地电极之间设有绝缘体，该直流电极与地电极之间也设有绝缘体，该射频电极与地电极之间设有放电区间，该放电区间一端与进气导管相通，该进气导管与供气源连通，另一端与直流放电区间贯通，气体经射频放电区电离后，流经直流放电区进一步得到电离和加速，后经过喷口向外喷出冷等离子体束流，放电是在常压下进行的。
2.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于于该外壳内设有射频电极，中空的地电极和中空的直流电极，地电极包覆在该射频电极外围，该射频电极为圆锥形，该地电极的内腔具有与该射频电极对应的形状，该射频电极与射频电源连接，该地电极接地，该射频电极与地电极之间位于外壳的封闭端处设有绝缘体，该绝缘体内设有通孔，该通孔与进气导管连通，该进气导管通过气体流量开关和气体减压阀与供气源连通，在该射频电极与地电极之间形成放电区间，该放电区间一端与进气导管相通，另一端与地电极多孔喷口相通；在该直流电极和该地电极之间设有绝缘材料，该绝缘材料内设有一空腔，在该空腔形成直流加速段，经过地电极多孔喷口喷出的等离子体进入直流电极与地电极之间的直流加速段，等离子体经直流加速段进一步电离和加速后，再经过直流电极多孔喷口和外壳喷口喷出。部分反应气体可由该直流电极和地电极之间的绝缘材料内的通孔引入到直流加速段。
3.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于于该外壳内设有射频电极，地电极和直流电极，该地电极包覆在该射频电极外围，该直流电极包覆在该地电极外围，该射频电极，该地电极和该直流电极均为中空的圆筒形，三个电极由金属材料制成并用绝缘材料相互绝缘，该射频电极的内腔通过绝缘材料通气孔与进气导管连通，该射频电极与该地电极之间设有圆筒形绝缘体，该绝缘体设有一沿其轴向贯通的长条形贯通槽，在该贯通槽形成射频放电区间，该射频电极周壁上对应该贯通槽设有多个通气孔，该地电极周壁上也设有多个对应该贯通槽的喷口；该地电极与该直流电极之间也设有圆筒形绝缘体，该绝缘体设有一与上述长条形贯通槽对应的沿其轴向贯通的长条形贯通槽，在该贯通槽形成直流加速段，该直流电极周壁上对应该直流加速段贯通槽设有多数喷口，通过射频放电区所产生的等离子体经由地电极的多个喷口流入直流加速段，再由直流加速段进一步电离和加速后，经由直流电极的多数喷口及外壳喷口喷出。该射频电极与射频电源连接，该地电极接地，该直流电极与直流电源连接，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
4.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于于该外壳内设有射频电极，地电极和直流电极，三个电极由金属材料制成并用绝缘材料相互绝缘，地电极包覆在该射频电极外围，该射频电极与地电极之间设有绝缘体，该射频电极包括互相连接的中空的小径段、过渡段及大径段，该小径段为外径较小的圆筒形，该过渡段为喇叭形，该大径段为外径较大的圆筒形，该大径段具有周壁和端壁，于该大径段的端壁上设有多数贯通孔，该小径段的内腔通过绝缘材料通气孔与进气导管连通，该进气导管通过减压阀与供气源连通，该地电极为圆筒形且具有与该射频电极对应的周壁和端壁，该地电极端壁上设有多数贯通孔，该射频电极与该地电极之间设有绝缘体，该绝缘体在相对该射频电极的端壁与该地电极的端壁之间设有一对应的一贯通孔，在该通孔形成射频放电区间，该射频电极大径段的端壁与该地电极的端壁平行；该直流电极为圆板形，该直流电极平面与该地电极的端壁平行，在该直流电极与该地电极之间设有一绝缘体，该绝缘体内对应上述地电极多数通孔设有一空腔，在该空腔内形成直流加速段，该平板直流电极上设有对应该空腔的多数通孔，在该直流电极和该地电极之间的绝缘体内设有一通孔，该通孔一段与供气源连通，另一端与直流加速段连通。通过射频放电区所产生的等离子体经地电极的多个喷口流入直流加速段，再由直流加速段进一步电离和加速后，经过直流电极的多数喷口及外壳喷口喷出。该直流电极与直流电源连接，该地电极接地，该射频电极与射频电源连接。
5.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该射频电极，地电极以及直流电极分别在其端面上均布有多数小喷口，每个小喷口的直径范围为0.5-1.5毫米。
6.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该供气源所供气体是氩气或氦气。
7.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该供气源所供气体是氩气或氦气与少量的反应气体或液体的混合气体。
8.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该射频电极，该直流电极外围有绝缘材料包覆，该地电极和外壳可以设计为一体。
9.如权利要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于该射频电源是13.56MHz或27.12MHz的射频电源，气体被击穿的均方根电压为50伏至250伏。
10.如权力要求1所述的常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，其特征在于经射频击穿后的气体形成等离子体，该等离子体再经直流偏压加速段进一步电离和加速后向外喷出。
专利摘要常压射频和直流混合型冷等离子体发生器，包括喷枪、射频电源、直流电源、供气源，其特征在与该喷枪包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，于该外壳内设有射频电极和包覆在该射频电极外围的地电极，以及在地电极以外的直流电极，该射频电极与射频电源连接，该地电极接地，该直流电极与直流电源连接，该射频电极，该地电极和该直流电极之间分别设有绝缘体，该射频电极与该地电极之间形成射频放电区间，该地电极和该直流电极之间形成直流放电区间，该直流放电区间称为直流加速段，该射频放电区间一端与进气导管相通，该进气导管与供气源连通，另一端通过地电极多孔喷口与该直流加速段贯通，经射频放电区间击穿电离后的气体形成等离子体，该等离子体通过地电极多孔喷口流入直流加速段，再经直流加速段内直流电场的进一步电离和加速后，由外壳喷口向外喷出，放电是在常压下进行的。本实用新型能在大气压下稳定工作并产生低电压、大面积、由射频低电压击穿电离，并有直流偏压电场进一步加速和电离的冷等离子体束流，从而为等离子体技术在清洗、杀菌、消毒等广泛领域的应用开辟了道路。
文档编号H05H1/24GK2604845SQ0323657
公开日2004年2月25日 申请日期2003年1月27日 优先权日2003年1月27日
发明者王守国 申请人:王守国