压力温度可调的气体放电等离子体发生装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种压力温度可调的气体放电等离子体发生装置。该装置包括一个能够耐压耐温的压力气罐、等离子体激励器、泵组、加热器、高速采集装置和各种传感器等等组成。等离子体激励器可以将电线接入压力气罐中连接放电件，利用泵组能够让压力气罐中的压力在0-1.1Mpa范围内变动，利用加热片可以将其中的气体加热到100℃，高速采集装置可以采集放电时候的电流和电压，还可以通过安装其他传感器测量等离子体亮度等参数。利用本实用新型，能够为研究气体放电等离子体实验提供不同压力和温度的反应环境，同时可以用于小件材料表面改性和臭氧生成等其他用途。
【专利说明】压力温度可调的气体放电等离子体发生装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及气体放电等离子领域，尤其涉及一种可以提供不同压力和温度环 境的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置。
【背景技术】
[0002] 等离子体是由大量相互作用的但仍处于非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体 系，是固态、液态、气态之外物质的第四态。将等离子体按照其中重粒子（分子、离子）的温 度的高低，可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体，后者又称为"冷"等离子体。冷 等离子体主要由气体放电产生，其中的重粒子温度略高于室温，而电子温度很高。冷等离子 体中除了有相当数量的电子和离子之外，还有大量的中性粒子（原子、分子和自由基、紫外 光子），它们比通常的化学反应器所产生的活性粒子种类更多、活性更强、更易于和所接触 的材料表面发生反应，因此冷等离子体被用来对材料表面进行处理、医疗器械的杀菌消毒 等领域。
[0003] 同时，近些年得到进一步发展的等离子测量技术也展现出了极大的优势。利用等 离子体电压和电流随着气动特性变化为原理的等离子体探针在航空航天等需要超高频测 量的行业中有着巨大的潜力。这些方面的研究都需要能够提供恒定压力范围和温度范围的 气体环境，所以能够安全稳定运行的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置的出现就 显现出了其重要性和必要性。 实用新型内容
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种压力温度可调的气体放电等离子 体发生装置，以能够提供绝对压力为0-1. IMPa之间的压力环境，能够承受最高KKTC的气 温，测量高频动态电信号，为需要稳定压力和温度范围的实验提供气体环境，并用于小件 物品的材料表面改性和臭氧产生。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为达到上述目的，本实用新型提供了一种压力温度可调的气体放电等离子体发生 装置，该装置包括：
[0008] 为气体放电提供不同压力和温度的气体环境的圆筒形的压力气罐01，罐体顶端和 底端均安装有法兰盖；
[0009] 安装于压力气罐顶端法兰盖上的安全阀02 ;
[0010] 开在压力气罐侧壁的高压线入口 03和地线出口 09,高压线11通过高压线入口 03 接入压力气罐中，地线10通过地线出口 09从压力气罐中引出；
[0011] 对称设置于压力气罐侧壁的观察压力气罐内部放电现象的两个观察窗12 ;
[0012] 开在压力气罐侧壁为各种传感器接入压力气罐中提供气密性良好通路的传感器 接口 13 ;
[0013] 通过抽气和充气改变压力气罐内的空气压力的泵组14 ;
[0014] 打开和关闭连接压力气罐与泵组之间通路的阀门15 ;
[0015] 通过高压线11和地线10为等离子体放电件进行气体放电提供合适电压和频率的 交流电的等离子体激励器05 ;
[0016] 连接于高压线将高压线的高电压衰减后供高速示波器或板卡07采集的电压探头 04 ；
[0017] 连接于地线将地线中的电流放大后供高速示波器或板卡07采集的电流探头06 ;
[0018] 采集并显示电压探头和电流探头传输的电信号的高速示波器或板卡07 :
[0019] 储存和处理高速示波器或板卡07采集到的数据的电脑08。
[0020] 上述方案中，所述压力气罐01采用的材料为碳钢，工作介质为空气，所承受压力 为绝对压力0-1. IMPa，所承受温度为10(TC，所述法兰盖采用螺栓与罐体固接。
[0021] 上述方案中，所述地线10和高压线11连接于压力气罐内部的等离子体放电件的 电极。
[0022] 上述方案中，从所述传感器接口 13接入的传感器及部件至少包括高精度气压表、 热电偶、照度计和加热片。所述高精度气压表的量程为绝对压力0-1. IMPa，精度为0. 4级， 长期使用温度不超过80°C ;所述热电偶为铠装热电偶，量程为0-500°C。
[0023] 上述方案中，所述等离子体激励器05由可产生高压高频电的标准波形交流电源 及控制产生的交流电幅值的控制器构成。
[0024] 上述方案中，所述电压探头04、电流探头06与高速示波器或板卡07配合使用。
[0025] 上述方案中，所述电脑08具有配置较高的处理器、较大的内存以及较大的存储 量，以适合海量数据的高速处理运算。其中，所述配置较高的处理器至少为Intel公司的酷 睿i7四核处理器，所述较大的内存至少为8G，所述较大的存储量至少为1T。
[0026] (三）有益效果
[0027] 从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
[0028] 1、本实用新型提供的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，能够为气体放 电提供不同压力和不同温度的气体环境，从而可以为等离子体研究和材料表面处理等提供 实验平台。
[0029] 2、本实用新型提供的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，在高压线和地 线与金属压力气罐的连接处采用了"聚四氟乙烯套筒+法兰盖"的结构，能够有效防止高压 击穿和爬电的现象发生，增加了安全性。
[0030] 3、本实用新型提供的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，集成了高速示 波器或板卡与电脑组合的采集系统，能够实时观测和处理实验数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为依照本实用新型实施例的压力温度可调的气体放电等离子发生装置的组 成简图。
【具体实施方式】
[0032] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，本实用新型提供的具体参数值无 需严格遵守，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。
[0033] 如图1所示，图1为依照本实用新型实施例的压力温度可调的气体放电等离子发 生装置的组成简图，该压力温度可调的气体放电等离子体发生装置包括圆筒形的压力气罐 01、安装于压力气罐顶端法兰盖上的安全阀02、开在压力气罐侧壁的高压线入口 03和地线 出口 09、对称设置于压力气罐侧壁的两个观察窗12、开在压力气罐侧壁的传感器接口 13、 泵组14、阀门15、连接于高压线11和地线10的等离子体激励器05、连接于高压线的电压探 头04、连接于地线的电流探头06、高速示波器或板卡07和电脑08,其中：
[0034] 圆筒形的压力气罐01能够耐压耐温，用于为气体放电提供不同压力和温度的气 体环境，罐体顶端和底端均安装有法兰盖，法兰盖采用螺栓与罐体固接。安装于压力气罐顶 端法兰盖上的安全阀02用于防止充压过高而产生危险，当超过压力气罐所能够承受的最 高压力时自动开启放气。高压线11通过高压线入口 03接入压力气罐中，地线10通过地线 出口 09从压力气罐中引出，地线10和高压线11连接于压力气罐内部的等离子体放电件的 电极。对称设置于压力气罐侧壁的两个观察窗12用于观察压力气罐内部的放电现象。开 在压力气罐侧壁的传感器接口 13用于为各种传感器接入压力气罐中提供气密性良好的通 路。泵组14用于通过抽气和充气改变压力气罐内的空气压力，阀门15用于打开和关闭连 接压力气罐与泵组之间的通路。等离子体激励器05用于为等离子体放电件进行气体放电 提供合适电压和频率的交流电。等离子体激励器05由可以产生高压高频电的标准波形交 流电源及其控制器构成，控制器用于控制产生的交流电的频率和幅值。连接于高压线的电 压探头04用于将高压线的高电压衰减后供高速示波器或板卡07采集。连接于地线的电流 探头06用于将地线中的电流放大后供高速示波器或板卡07采集。高速示波器或板卡07 用于采集并显示电压探头和电流探头传输的电信号，电脑08用来储存和处理高速示波器 或板卡07采集到的数据。
[0035] 压力气罐01采用的材料为碳钢，工作介质为空气，所承受压力为绝对压力 0-1. IMPa，所承受温度为100°C。从传感器接口 13接入的传感器及部件至少包括高精度 气压表、热电偶、照度计和加热片，其中：高精度气压表用于测量压力气罐01内部的气体压 力，量程为绝对压力0-1. IMPa，精度为0· 4级，长期使用温度不超过80°C ;热电偶为铠装热 电偶，用于测量压力气罐01内部的气体温度，量程为0-500°C;照度计用于测量压力气罐01 内部等离子体亮度；加热片用于给压力气罐01内部的气体加热使其温度升高，从而可以提 供不同温度的气体环境。电脑08具有配置较高的处理器、较大的内存以及较大的存储量， 以适合海量数据的高速处理运算，其中，配置较高的处理器至少为Intel公司的酷睿i7四 核处理器，较大的内存至少为8G，较大的存储量至少为1T。
[0036] 压力气罐01的上下法兰盖可以打开，将等离子体放电件放入气罐中，将等离子体 激励器05的高压线11和地线10分别接到等离子体放电件的两个电极上，然后将法兰盖安 装好，保持气罐气密性良好。然后根据图1所示将其他部件都连接好，泵组14包括一台真 空泵和充气泵，使用时根据所需的压力开启其中一台泵工作；密切监控气压表的读数，将气 罐内的气体压力调节到所需的压力值以后，依次关闭阀门15和泵14。然后开启等离子体激 励器05,调节到合适的电压峰值和频率，即可在放电件中产生等离子体，然后利用高速示波 器或者板卡07采集所需要的数据，通过电脑08对数据进行储存和处理。
[0037] 观察窗12为对向布置，一共有两个，可以通过观察窗在压力气罐外部布置高速摄 像机或者ICCD相机等对等尚子体放电的现象进行拍摄和记录。
[0038] 本实用新型提供的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，通过真空泵和充 气泵能够使气罐内的绝对压力从0-1. IMPa范围内变化，设定好所需压力值，当抽气或者充 气达到所需的压力值时，泵自动停止，此时关闭阀门15,从而使气罐内的压力值保持恒定。 高压线入口 03是等离子体激励器05的高压线进入气罐的入口，地线出口 09是地线接出气 罐的出口，二者均采用"聚四氟乙烯套筒+法兰盖"的结构，能够在保证气密性的同时防止 爬电现象的产生。
[0039] 等离子体激励器05由可以产生高压高频电的标准波形交流电源和其控制器组 成，控制器控制产生的交流电的频率和幅值；本实施例中采用CTP-2000K的低温等离子体 实验电源，电压输出范围为0-30KV，频率为20KHz ;等离子体激励器接出高压线11和地线 10连接于连接等离子体压力探针；等离子体激励器并不局限于某一具体的产品，只要是可 以产生高压高频标准波形的可控交流电源即可。
[0040] 电压探头04、电流探头06与高速示波器或板卡07配合使用。电压探头04、电流探 头06与高速示波器或板卡07分别采用P6015A高压探头、TCPA300电流探头以及DP03034 数字荧光彩色示波器；电压探头04采用1000 : 1的比例将等离子体激励器05的高电压值 衰减为低电压，电流探头06采用互感原理，将回路中的电流按照1 : 5或者1 : 10的比例 放大，供高速示波器或板卡07采集。DP03034数字荧光彩色示波器带宽为300MHz，采集速度 为2. 5GS/s，5M记录长度，有4个模拟输入通道；高速采集板卡采用PXI-5154高速采集卡， 两个模拟信号输入通道，带宽为1GHz，采集速度为2GS/s。
[0041] 需要研究温度对于放电的影响时，可以给压力气罐内部的加热片通电，通过热电 偶测量出来的温度即可观测内部气体温度的变化。
[0042] 该压力气罐由具有压力容器生产资质的厂方制造，其中配备的阀门、气泵以及各 种传感器都可以在市面上直接买到或者订做，并不局限于某种特定型号。电压探头、电流探 头和高速示波器已经详细介绍过，在此也不再赘述。
[〇〇43] 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本 实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于，该装置包括： 为气体放电提供不同压力和温度的气体环境的圆筒形的压力气罐（01)，罐体顶端和底 端均安装有法兰盖； 安装于压力气罐顶端法兰盖上的安全阀（02); 开在压力气罐侧壁的高压线入口（03)和地线出口（09)，高压线（11)通过高压线入口 (03) 接入压力气罐中，地线（10)通过地线出口（09)从压力气罐中引出； 对称设置于压力气罐侧壁的观察压力气罐内部放电现象的两个观察窗（12); 开在压力气罐侧壁为各种传感器接入压力气罐中提供气密性良好通路的传感器接口 (13)； 通过抽气和充气改变压力气罐内的空气压力的泵组（14); 打开和关闭连接压力气罐与泵组之间通路的阀门（15); 通过高压线（11)和地线（10)为等离子体放电件进行气体放电提供合适电压和频率的 交流电的等离子体激励器（05); 连接于高压线将高压线的高电压衰减后供高速示波器或板卡（07)采集的电压探头 (04) ； 连接于地线将地线中的电流放大后供高速示波器或板卡（07)采集的电流探头（06); 采集并显示电压探头和电流探头传输的电信号的高速示波器或板卡（07): 储存和处理高速示波器或板卡（07)采集到的数据的电脑（08)。
2. 根据权利要求1所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在 于，所述压力气罐（01)采用的材料为碳钢，工作介质为空气，所承受压力为绝对压力 0-1. IMPa，所承受温度为100°C，所述法兰盖采用螺栓与罐体固接。
3. 根据权利要求1所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于， 所述地线（10)和高压线（11)连接于压力气罐内部的等离子体放电件的电极。
4. 根据权利要求1所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于， 从所述传感器接口（13)接入的传感器及部件至少包括高精度气压表、热电偶、照度计和加 热片。
5. 根据权利要求4所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于， 所述高精度气压表的量程为绝对压力0-1. IMPa，精度为0. 4级，长期使用温度不超过 80 °C ； 所述热电偶为铠装热电偶，量程为0-500°C。
6. 根据权利要求1所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于， 所述等离子体激励器（05)由可产生高压高频电的标准波形交流电源及控制产生的交流电 幅值的控制器构成。
7. 根据权利要求1所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于， 所述电压探头（04)、电流探头（06)与高速示波器或板卡（07)配合使用。
8. 根据权利要求1所述的压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，其特征在于， 所述电脑（08)具有配置较高的处理器，至少为Intel公司的酷睿i7四核处理器，内存至少 为8G，存储量至少为1T，以适合海量数据的高速处理运算。
【文档编号】H05H1/24GK203851355SQ201420178777
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】李帆, 张文强, 林峰 申请人:中国科学院工程热物理研究所