专利名称：一种高气压放电产生冷等离子体的方法及介质阻挡放电装置的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体技术领域，涉及到高气压下气体放电产生冷等离子体方法及直O
背景技术：
高气压(通常在0. 1个大气压以上)冷等离子体中存在丰富的电子、离子、自由基 和激发态原子与分子等活性粒子。许多通常条件下不发生或者只能在极其苛刻条件下发生 的化学反应在高气压冷等离子体中都很容易发生。高气压冷等离子体广泛应用于工业上诸 多领域。高气压下产生冷等离子体的适用方法主要有电晕放电和介质阻挡放电，此外也可 采用射频、微波、脉冲电晕等放电方法产生。电晕放电起始放电电压低、电极间隙大，但放电限于在电极尖端附近，空间分布梯 度大，其产生的冷等离子体体积小，且电晕电极布置的密度受到限制。为了扩大电晕放电 的放电范围，而又不至于造成电极之间完全击穿而形成火花或电弧，使用脉冲电晕放电可 以产生较大体积相对均勻的冷等离子体，但脉冲电源成本高、寿命短，在实际应用中受到限 制。在电晕电极对之间、或电晕电极与平电极之间插入绝缘介质阻挡层，构成电晕介 质阻挡放电，可以限制电晕放电的击穿问题，在一定程度上提高了电晕放电产生冷等离子 体的总量，但放电通道的数目受制于尖端电极数目，其空间分布不均性同样存在。使用介质阻挡放电，包括体积放电和表面放电，可以得到较高密度的放电通道。为 了提高放电通道的密度和均勻性，通常使用较小的间隙(小于2mm)，并且提高电源电压的 过电压倍数。过大的间隙会延长放电脉冲时间，容易引起火花放电，造成气体温升过高，放 电能量转为气体热能而造成电能浪费，且使放电集中在少量的通道中造成放电分布不均 勻。现有技术中，除了脉冲电晕方法外，尚没有在较大空间产生高密度均勻冷等离子 体的方法和装置。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提出在高气压下实现放电的空间高密度均勻分 布、产生大体积冷等离子体的方法和实现这种方法的装置。本发明的放电产生冷等离子体的方法是在施加低于气体临界击穿场强的放电空 间中添加分散的导电颗粒，所述导电颗粒引发在其周围的电场畸变，产生电晕放电，随着外 加电场的上升，放电通道进一步发展产生大体积空间放电。由于电晕诱导的起始放电电压 降低，使长间隙的放电通道发展不至于形成火花。高密度分布的导电颗粒使放电通道密度 更大，分布更加均勻。实现高气压低电场强度下产生大空间均勻冷等离子体的目的。
为了放电在空间分布均勻，所述导电颗粒在空间分布相对均勻。所述导电颗粒可 以通过悬浮的方式、气体作用下流动或者重力作用下降落的方式分散在放电空间中。所述导电颗粒任意方向的最大尺度小于1mm，导电颗粒在放电空间所占的体积分 数小于30%。为了使放电通道发展不至于造成电极之间的间隙击穿，可采用施加窄脉冲电场、 微波电场、高频电场和具有介质阻挡层的高压交流电场。应用上述方法的一种介质阻挡放电装置，包括由至少一对电极组成的电极对和至 少一个插入所述电极对的绝缘介质阻挡层构成的放电空间，在所述放电空间添加分散的导 电颗粒，在所述电极对上施加交流高压电源。所述交流高压电源在所述电极对之间产生低于气体临界击穿场强；所述导电颗粒 引发在其周围的电场畸变，使导电颗粒表面附近电场上升超过气体击穿电压，产生电晕放 电，随着外加电场的上升，放电沿电力线主导方向发展，形成由多个导电颗粒桥接的放电通 道；放电通道沿电力线纵向的发展止于介质阻挡层，并使放电停止。由于导电颗粒的电晕诱 导作用，施加在放电间隙上的起始放电电压有明显的降低，降低了单次放电的能量和一个 放电通道对该通道周围放电的抑制。且由于分散在放电间隙内导电颗粒的电晕诱导作用， 放电通道的密度要大于没有颗粒时的放电通道的密度。单次放电能量的降低使放电用于加 热气体的能量份额有所降低。从而实现大体积空间高密度均勻分布放电产生冷等离子体。 这可以从下面的定性分析得到理解。对于介质阻挡放电，单个通道的放电能量W为
权利要求
1.一种在高气压下用气体放电产生低温冷等离子体的方法，其特征在于对所述气体放电的放电空间施加电场，所述电场的电场强度低于气体的临界击穿场强；在施加电场的所述气体放电空间添加导电颗粒，首先在所述导电颗粒表面附近发生电 晕放电，由所述导电颗粒产生电晕诱导放电产生。所述导电颗粒为固态、液态或固液混合态，所述导电颗粒尺寸范围为IOym——1mm，所 述导电颗粒在放电空间所占的体积分数小于30%。
2.如权利要求1所述的放电产生低温冷等离子体的方法，其特征在于对所述放电空 间施加的所述电场的形式为交流，所述交流频率为20Hz 20GHz。
3.如权利要求1所述的放电产生低温冷等离子体的方法，其特征在于对所述放电空 间施加的所述电场的形式为脉冲，所述脉冲宽度小于200纳秒。
4.如权利要求1所述的放电产生低温冷等离子体的方法，其特征在于所述导电颗粒分 散在空间的方法为自由下落方式、气流吹动方式。
5.一种介质阻挡放电的装置，包括至少由一对电极、插在所述一对电极之间的至少一 个绝缘介质阻挡层、由所述电极与所述介质阻挡层或所述介质阻挡层构成的放电空间，由 在所述电极对之间施加高压交流电源在所述放电空间产生电场，其特征在于所述放电空间的电场的强度低于气体的临界击穿场强；对所述放电空间添加导电颗粒。所述导电颗粒为固态、液态或固液混合态；所述导电 颗粒尺寸范围为0. 01—1毫米；所述导电颗粒在在所述放电空间所占的体积分数小于 10%。
6.如权利要求6所述的介质阻挡放电装置，其特征在于所述导电颗粒分散在空间的方 法为自由下落方式、气流吹动方式。
7.如权利要求6所述的介质阻挡放电装置，其特征在于放电首先发生在所述导电粒 表面附近，然后发展到贯穿所述电极与绝缘介质阻挡层之间或所述一对绝缘介质阻挡层之 间的、由至少一个导电颗粒桥接的放电通道。
全文摘要
本发明涉及到高气压下气体放电产生冷等离子体的方法，以及使用这种方法的介质阻挡放电装置。其方法是对施加电场的放电空间添加分散的导电颗粒，导电颗粒引起电场畸变，电晕放电首先发生在导电颗粒表面附近，放电通道大致沿电力线主导的方向发展。放电及产生的冷等离子体在空间分布均匀性和密度由导电颗粒分布主导。在介质阻挡放电装置中，添加分散的导电颗粒，可以使放电空间所施加的平均电场强度低于气体的临界击穿场强。因此这种放电及产生冷等离子体在空间分布更均匀，且可以降低放电所需的电压，可广泛用于各种气相等离子体化学反应。
文档编号H05H1/24GK102056392SQ20101059465
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者叶桃红, 周志鹏, 夏维东, 张济民 申请人:中国科学技术大学