本发明涉及一种便携式微空心阴极放电等离子体射流装置。
背景技术：
大气压冷等离子体射流通过气体流动将放电区域产生的活性自由基、带电粒子、高活性分子及原子输运到被处理区域，突破传统冷等等离子体空间局限，在生物医学、材料改性、能源化工等领域具有广泛的应用前景。大气冷等离子体产生不仅需要外部激励源(例如220V工频交流电、信号触发器、高压电缆等配套设备)还需要工作气体供给(例如气瓶、质量流量计、减压阀等)。这些复杂而又必须的辅助设备限制户外场合或突发情况的应用。
近年来，便携式等离子体射流装置的出现使得等离子体处理可以轻松应对各种场合。市面上的便携式等离子体射流装置大致可分为电源模块、供气模块、等离子体发生模块。其中等离子体发生模块和电源模块决定了产生的等离子体特性。
根据不同应用领域，目前研究人员已经设计和研制出多种不同结构的等离子体发生模块。针环、双环形式的介质阻挡等离子体射流因绝缘介质将高压端与低压端分隔开，有效避免放电向电弧转化，有利于生物医学、杀菌等对温度极为敏感的应用。中国专利CN201410160831.5公开了一种手持式大面积低温等离子体发生装置。采用多孔圆盘电极、以及介质阻挡放电来构成等离子体放电单元，同时进行多个等离子体射流装置的阵列化。不仅安全而且可以避免发生弧光放电。中国专利CN201710873449.2公开了一种手持式等离子体射流装置，与前一个专利类似，采用针环介质阻挡放电单元组成射流阵列单元，风机提供空气气体流速，装置易于携带，无需外接电源。这种介质阻挡放电等离子体射流虽然应用安全性高，但所需的激发阈值高。便携式等离子体射流装置往往使用空气作为等离子体放电的工作气体，空气所需的激发电场强度阈值很高，介质阻挡放电单元无法激发空气等离子体。因此有些等离子体发生模块采用类似介质阻挡放电形式。中国专利CN201410236903.X公开了一种手持便携式滑动弧低温等离子体的产生装置，能够使用空气、单质气体或混合物作为工作气体，无需其他激励器件，设备故障少。中国专利CN201110391504.7公开了一种手持式等离子体电筒，采用多针裸电极结构，直接以空气作为激发气体，但无吹气装置；以DC升压供电，最大功率可达10W。类介质阻挡放电对于材料处理时放电强度及化学特性明显加强，但这种放电等离子体很易转化为电弧放电，不适合人体医学处理。
实现便携式等离子体射流装置最大的障碍就是电源模块设计。作为装置的必须部分，众多专利采用便携式的直流升压、高频高压交流源作为激励源。中国专利201210540793.7公开一种可以随身携带的消毒领域应用的手电，将充电电池提供的直流电压经振荡、升压后形成高压交流电；直流和交流激励方式下，大量的电功率消耗在气体加热上，同时，放电空间温度过高，溅射或蒸发出来的电极物质污染严重；脉冲激励源则大大提高电光转换效率。中国专利201710183836.3公开了一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置，装置整微秒电源模块为一体，具有放电效率高和装置小型化的优势，但整个装置体积大，携带不便。
技术实现要素：
针对上述便携式等离子体射流装置存在的放电电极设计不合理、激励源体积庞大、等离子体气体温度高等问题，本发明的目的在于提供一种便携式微空心阴极放电等离子体射流装置，以拓展大气压冷等离子体在户外或者突发环境的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种便携式微空心阴极放电等离子体射流装置，包括微空心阴极放电电极、激励源模块、供气模块和绝缘外壳，所述绝缘外壳将上述微空心阴极放电电极、激励源模块和供气模块包裹于内部，所述绝缘外壳前端部还设有喷嘴；其中：
微空心阴极放电电极为由阳极、绝缘层和阴极三层组成的锥体结构；所述阳极位于内层，且内部中空，形成中空管状；所述阴极位于外层并包裹在整个微空心阴极放电电极外部；所述绝缘层位于中间将所述阳极和阴极分隔开并实现电气绝缘；所述喷嘴为在所述微空心阴极放电电极的锥体前端部开设的放电孔，所述放电孔贯穿微空心阴极放电电极的阳极、绝缘层和阴极；
所述激励源模块包括依次电连接的充电锂电池、低压直流稳压电路、直流升压电路、高压脉冲发生器和阻抗匹配电路，还包括与所述充电锂电池电性连接的用于控制充电锂电池通断的控制电路开关；所述阻抗匹配电路连接微空心阴极放电电极；
供气模块包括供气气路，所述供气气路的一端连通直流气泵，所述供气气路的另一端连通阳极的内部中空管；所述直流气泵由低压直流稳压电路直接供电。
进一步的，所述阳极为空心圆柱结构，且所述阳极的中轴线与微空心阴极放电电极的中轴线重合。
进一步的，所述放电孔的直径为0.05-0.8mm。
进一步的，所述微空心阴极放电电极设有若干个，且若干个微空心阴极放电电极并列设置形成多孔阵列辉光放电，每个微空心阴极放电电极均串联有一个镇流电阻。
进一步的，所述充电锂电池提供低压直流源，输出电压为12V或者24V。
进一步的，高压脉冲发生器由多个MOSFET开关串联形成的固体开关、储能元件和脉冲信号控制器组成；阻抗匹配电路由电容和电感组成。
进一步的，在所述激励源模块中，由低压直流稳压电路稳定充电锂电池的输出电压，经直流升压电路将低压直流电升为高压直流电，并为储能元件充电；其中所述MOSFET开关速度调节脉冲波形的占空比和频率范围，当固体开关导通时，储能元件通过阻抗匹配电路和微空心阴极放电电极将能量以脉冲放电形式释放。
进一步的，其中阻抗匹配电路由电容和电感组成。
进一步的，所述直流气泵的工作电压为5V或12V，所述供气气路的气体流速为0.5～5slm/min。
进一步的，所述绝缘外壳为手枪式、圆柱形、锥形或椭圆形；所述绝缘外壳的材质为聚四氟乙烯或PMMA。
进一步的，当所述绝缘外壳为手枪式时，所述绝缘外壳设有绝缘手柄；所述充电锂电池设有绝缘手柄内，所述控制电路开关位于所述绝缘手柄外侧。
本发明的有益效果为：
与传统便携式等离子体发生装置相比，本发明所述便携式微空心阴极放电等离子体射流装置能够解决高气压下辉光放电向电弧放电转换的问题，产生空气辉光等离子体。装置采用便携式的脉冲激励源，一方面避免对放电气体加热，另一方面影响电子能量分布，增加高能电子数目和激发系数，提高放电功率。气体温度可降至室温，等离子体活性自由基丰富，可广泛应用于生物医学、材料、环保和防化等领域。
附图说明
图1为本发明所述便携式微空心阴极放电等离子体射流装置结构示意图；
图2为本发明所述微空心阴极放电电极结构示意图；
其中，1-喷嘴，2-阻抗匹配电路，3-供气气路，4-高压脉冲发生器，5-直流气泵，6-充电锂电池，7-绝缘手柄，8-控制电路开关，9-低压直流稳压电路，10-直流升压电路，11-绝缘外壳，12-阴极，13-阳极，14-绝缘层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种便携式微空心阴极放电等离子体射流装置，如图1所示，包括微空心阴极放电电极、激励源模块、供气模块和绝缘外壳11。所述绝缘外壳将上述微空心阴极放电电极、激励源模块和供气模块包裹于内部。所述绝缘外壳可为手枪式、圆柱形、锥形或椭圆形，所述绝缘外壳的材质为聚四氟乙烯或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。本实施例中，选用所述绝缘外壳11为手枪式，所述绝缘外壳11设有绝缘手柄7，便于手持。
如图2所示，微空心阴极放电电极为由阳极13、绝缘层14和阴极12三层组成的锥体结构。所述阳极13位于内层，且内部中空，形成中空管状。本实施例中，所述阳极13为空心圆柱结构，且所述阳极13的中轴线与微空心阴极放电电极的中轴线重合。所述阴极12位于外层并包裹在整个微空心阴极放电电极外部。所述绝缘层14位于中间将所述阳极13和阴极12分隔开并实现电气绝缘。在所述绝缘外壳11前端部设有喷嘴，具体的，所述喷嘴1为在微空心阴极放电电极的锥体前端部开设的放电孔，所述放电孔贯穿微空心阴极放电电极的阳极13、绝缘层14和阴极12，且所述放电孔的直径为0.05-0.8mm。
根据实际应用，如要增加放电面积，可将多个微空心阴极放电电极并列设置以实现高气压多孔阵列辉光放电，并且每个微空心阴极放电电极串联一个镇流电阻，限制单孔大电流。
所述激励源模块包括依次电连接的充电锂电池6、低压直流稳压电路9、直流升压电路10、高压脉冲发生器4和阻抗匹配电路2，控制电路开关8与所述充电锂电池6电性连接并用于控制充电锂电池6的通断。所述阻抗匹配电路2连接微空心阴极放电电极。所述充电锂电池6位于绝缘手柄7内。
高压脉冲发生器4由多个MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)开关串联形成的固体开关、储能元件和脉冲信号控制器组成。
所述充电锂电池6提供低压直流源，输出电压为12V或者24V。一次充电可支持本发明所述便携式微空心阴极放电等离子体射流装置连续工作十个小时以上。由低压直流稳压电路9稳定充电锂电池6的输出电压，经直流升压电路10将低压直流电升为高压直流电，并为储能元件充电。所述脉冲信号控制器设有可触摸控制的显示屏，且所述显示屏嵌在绝缘外壳11表面，通过控制所述MOSFET开关速度调节脉冲波形的占空比和频率范围，当固体开关导通时，储能元件通过阻抗匹配电路2和微空心阴极放电电极将能量以脉冲放电形式释放。
其中阻抗匹配电路2由电容和电感组成，以消除导线和微空心阴极放电电极引起的杂散电容，优化等离子体射流放电功率。本发明所述整个便携式微空心阴极放电等离子体射流装置不需接地。
供气模块包括供气气路3，所述供气气路3的一端连通直流气泵5，所述供气气路3的另一端连通阳极13的内部中空管。所述直流气泵5由低压直流稳压电路9直接供电，所述直流气泵5的工作电压为5V或12V。所述供气气路3的气体流速为0.5～5slm/min。
微空心阴极(Micro-hollow Cathode，以下简称MHC)是一种可以在高气压下产生微放电等离子体的电极结构，其结构是由任意形状的阳极和微空心的阴极构成，根据空心阴极pD值乘积一定的理论(p指放电气体组分的气压，D指阴极的空心直径)，由于微孔尺寸在亚毫米量级，其可实现在大气压下的辉光放电；另一方面，微空心阴极的环形电极结构使得电子在阴极径向电场的作用下，实现了振荡过程，大大增加了碰撞电离的机会，所以该放电可以实现很高的电子密度；同时，为了得到更大规模的放电，通常在一个平板阴极上加工多个微孔，实现阵列微孔放电；最后，由于尺寸微小，放电所需要的触发电压很低，通常只需要几千伏。本发明以微空心阴极电极为基础，能够解决高气压下辉光放电向电弧放电转换的问题，产生空气辉光等离子体。同时以高压脉冲作为激励源，能够有效降低空气等离子体射流的激发电场强度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。