专利名称：一种空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于气体放电技术领域，涉及一种放电等离子体的产生技术，具体涉及一种空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法与装置。
背景技术：
由于低温等离子体中存在大量的多种活性粒子，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，因此在很多领域都有着极其广泛的应用前景，例如臭氧合成、材料表面改性、等离子体刻蚀、固体薄膜沉积、灭菌消毒、大气污染处理等等。在低气压下容易产生相对均匀的放电等离子体，然而低气压等离子体用于工业生产时存在两个明显的缺点(1)工业化处理过程中需要不断打开真空处理室取出成品，添加试品，然后重新抽真空，充入工作气体并放电，难以实现批量连续处理，生产效率不高；(2)放电时反应室处于低气压状态，真空系统必不可少，而工业化的真空系统所需的投资和运行费用很高。
由于大气压下等离子体的产生不需要昂贵的真空设备，近年来国内外研究者都非常关注常压下等离子体的特性及应用。介质阻挡放电(DBD)作为一种特殊的气体放电形式，通过在电极间引入阻挡介质，可在放电发生时限制放电电流的自由增长，阻止了电极间火花放电或弧光放电的形成，具有放电功率密度适中的特点，并可采取多种放电结构、混合气体和工作条件(输入功率、电源频率、气压、气流)，具有较强的适应性，非常适合工业化应用。国内外已经报导过，在低气压或惰性气体中，采用高频或射频电源可以利用DBD产生均匀辉光放电等离子体。近年来，如何采用DBD的形式，采用廉价的工作气体(空气)和电源(工频高压)在常压(大气压)下产生均匀辉光放电成为国内外的研究热点。
辉光放电通常在低pd值下产生，可以用Townsend放电理论加以解释由于低气压下pd值很小，电子无法经历足够多次碰撞使电子崩达到足够大，空间电荷产生的电场十分低，离子将有足够的时间向阴极运动，从阴极表面激发出二次电子，因此放电形式常表现为均匀的Townsend放电或辉光放电。而当pd值高于26kPa·cm时，则放电转为可用流注理论解释的细丝放电形式。要在大气压或次大气压下获得均匀稳定的辉光放电必须限制电子崩的增长幅度，防止转化为流注而表现为一般的丝状介质阻挡放电，通过制造条件使放电在较低电场条件下产生，从而表现为辉光放电。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法与装置，能够利用平板电极介质阻挡放电的形式，在空气中大气压下产生均匀辉光放电等离子体。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案一种空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法，其特征在于，该方法将两个金属圆盘电极平行固定在一个充满常压空气的腔体内，在每个电极的内表面均覆盖聚合物阻挡介质材料，并在电极与阻挡介质之间放入金属筛网，两边阻挡介质之间保持一定的空气间隙，其中一个电极接地，另一电极接工频交流高压电源，在适当的施加电压作用下，可以在电极之间产生辉光放电等离子体，通过在腔体的一侧进气口吹入空气气流，可以在另一侧出气口将放电等离子体引出。
所述的阻挡介质材料为聚四氟乙烯等驻极体材料，厚度为0.1~0.5mm，直径需要大于金属圆盘电极的直径，以避免电极边缘处出现放电。采用驻极体材料作为阻挡介质，其表面比其它材料更容易积累电荷而畸变电场，从而可以有效降低放电场强，使得辉光放电更容易发生。
所述的金属筛网为120#、200#、250#和325#，金属筛网的直径与电极直径相同，且两者的边缘保持平齐。在阻挡介质与电极间插入金属筛网，由于筛网的细丝结构可以畸变局部的电场，导致局部放电和电荷注入，有利于初始自由电子的产生，从而降低放电场强，使得辉光放电更容易发生。
所述的两边阻挡介质之间的空气间隙距离为1～4mm。如间隙过大，则放电易转化为不均匀的丝状放电，不能维持均匀辉光放电。
实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括一个充满常压空气的腔体，腔体上有进气口和出气口；腔体内固定有两个平行的金属圆盘电极，其中一个是动电极，另一个为静电极，每个电极的内表面均覆盖有聚合物材料的阻挡介质，并在金属圆盘电极与阻挡介质之间放入金属筛网，两边阻挡介质之间保持一定的空气间隙，静电极固定在腔体的一侧盖板上，动电极与一个螺旋测微计连接。
使用时，将两个平行的金属圆盘电极，一个接地，另一电极接工频交流高压电源，在适当的施加电压作用下，可以在电极之间产生辉光放电等离子体，通过在腔体的一侧进气口吹入空气气流，可以在另一侧出气口将放电等离子体引出。
本发明的空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法及装置，为研究空气中大气压下的辉光放电及其等离子体的产生、特性提供帮助，采用容易实现的工频高压电源即可在空气中常压下产生均匀稳定、大面积的低温等离子体，避免了低气压等离子体的真空系统的额外成本，并可提高工作的可靠性和稳定性，可广泛用于电气、电子、材料、化工、环保等许多领域。
图1为本发明的装置的结构示意图，图1中的符号表示1、腔体；2、静电极；3、动电极；4、阻挡介质；5、螺旋测微计；6、接地端；7、进气口；8、进气微调；9、出气口；10、出气微调；11、气压表；12、密封垫。
图2为本发明的装置的电极示意图，图2中的符号表示13、金属圆盘电极；4、阻挡介质；14、金属筛网。
图3为本发明的装置当阻挡介质为0.5mm厚PTFE时的放电图像，其中(a)采用120#金属筛网，(b)采用200#金属筛网，(c)采用250#金属筛网，(d)采用325#金属筛网。
图4为本发明的装置的介质阻挡放电的波形，其中(a)为电压和电荷量的波形图，(b)为Lissajous(电压-电荷量)图形。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。
具体实施例方式
参照图1所示，本发明的装置包括一个充满常压空气的腔体1，腔体1上有进气口7和出气口9，进气口7上设有进气微调8，出气口9上设有出气微调10；腔体1由有机玻璃制成，具有绝缘性能好、重量轻、透明等优点，可以清晰观察放电等离子体的发光特性。腔体1为长方体，两侧有活动盖板，盖板与腔体主体间有密封垫12以确保密封，并由螺栓固定。腔体1上还有气压表。
腔体1内固定有两个平行的金属圆盘电极13，其中一个是动电极3，另一个为静电极2，每个电极的内表面均覆盖有聚合物材料的阻挡介质4，并在金属圆盘电极13与阻挡介质4之间放入金属筛网14，两边阻挡介质4之间保持一定的空气间隙，静电极2固定在腔体的一侧盖板上，动电极3与一个螺旋测微计5连接，连接接地端6后接地。
静电极2和动电极3以及螺旋测微计5构成电极间隙可调节形式，螺旋测微计5固定在腔体1底部，通过调节螺旋测微计5可以准确调整静电极2和动电极3之间的间隙距离。
气流控制部分由进气口7和出气口9两部分组成。进气口7位于腔体1上端，利用进气微调阀8可以准确控制进气量。
出气口9位于腔体1下端，正对进气口7，当出气口9进气口7同时打开时，会在放电区域形成气流。当进气口7关闭、出气微调阀10打开时，可以利用真空泵将腔体内抽成低气压，可通过固定在腔体1上的压力表11监视气压变化。
参照图2所示，描述了本发明的装置的电极示意图，在每个电极的内表面均覆盖聚合物阻挡介质材料，并在电极与阻挡介质之间放入金属筛网，两边阻挡介质之间保持一定的空气间隙。
本发明在实验室完成一套样品，可以利用介质阻挡放电的形式实现常压空气中工频电压作用下的均匀辉光放电等离子体，实现简单，成本低，可靠性高，可用于材料改性、废气处理、臭氧合成及放电光源等等离子体物理和化学领域。
参照图3和图4，这是本发明的一个具体的实施例。
从图3的放电图像可以看出，采用PTFE作为阻挡介质时，间隙上下靠近介质处的区域是比较明亮的发光层，均匀分布在介质表面，而间隙中间的发光强度低，相对亮度比较暗，这与低气压下辉光放电的辉区和暗区的分布特征是一致的。之所以会出现上下对称的两条亮带，是由于所施加的是交流电压，上下电极交替为阴极。
从图4的波形图可以看出，采用PTFE作为阻挡介质，放电电量波形只有一个台阶，Lissajous图仅由上下两条平行线组成，这是典型的辉光放电特征波形。根据图3和4可判断放电形式为辉光放电。
权利要求
1.一种空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法，其特征在于，该方法将两个金属圆盘电极平行固定在一个充满常压空气的腔体内，在每个电极的内表面均覆盖聚合物阻挡介质材料，并在电极与阻挡介质之间放入金属筛网，两边阻挡介质之间保持一定的空气间隙，其中一个电极接地，另一电极接工频交流高压电源，在适当的施加电压作用下，可以在电极之间产生辉光放电等离子体，通过在腔体的一侧进气口吹入空气气流，可以在另一侧出气口将放电等离子体引出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的阻挡介质的材料为聚四氟乙烯或其它的驻极体材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在电极与阻挡介质之间放入金属筛网，金属筛网的直径与电极直径相同，且两者的边缘保持平齐。
4.实现权利要求1所述的空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法的装置，其特征在于，该装置包括一个充满常压空气的腔体，腔体上有进气口和出气口；腔体内固定有两个平行的金属圆盘电极，其中一个是动电极，另一个为静电极，每个电极的内表面均覆盖有聚合物材料的阻挡介质，并在金属圆盘电极与阻挡介质之间放入金属筛网，两边阻挡介质之间保持一定的空气间隙，静电极固定在腔体的一侧盖板上，动电极与一个螺旋测微计连接。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述阻挡介质的材料选择聚四氟乙或其它驻极体材料，厚度为0.1～0.5mm，其直径略大于金属圆盘电极的直径。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的金属筛网的型号为120#、200#、250#或325#，金属筛网的直径与金属圆盘电极直径相同，且两者的边缘保持平齐。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的阻挡介质之间的空气间隙距离为1mm～4mm。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的腔体上还有气压表。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的进气口上设有进气微调。
10.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的出气口上设有出气微调。
全文摘要
本发明公开了一种空气中大气压下辉光放电等离子体的产生方法及装置，将两个金属圆盘电极平行固定在一个充满常压空气的腔体内，在每个电极的内表面均覆盖聚合物阻挡介质材料，并在电极与阻挡介质之间放入金属筛网，两边阻挡介质之间保持一定的空气间隙，其中一个电极接地，另一电极接工频交流高压电源，在适当的施加电压作用下，可以在电极之间产生辉光放电等离子体，通过在腔体的一侧进气口吹入空气气流，可以在另一侧出气口将放电等离子体引出。本发明可以利用介质阻挡放电的形式实现常压空气中工频电压作用下的均匀辉光放电等离子体，实现简单，成本低，可靠性高，可用于材料改性、废气处理、臭氧合成及放电光源等等离子体物理和化学领域。
文档编号H01T23/00GK101013797SQ20071001734
公开日2007年8月8日 申请日期2007年2月2日 优先权日2007年2月2日
发明者张冠军, 杨芸, 董明 申请人:西安交通大学