专利名称：预电离大气压低温等离子体射流发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体放电反应器技术领域，涉及一种预电离结构的大气压 低温等离子体射流发生装置。
背景技术：
低温等离子体空间富集的离子、电子、激发态原子、分子及自由基都是极 活泼的反应性物种，这些活性粒子数量大、种类多、活性高，易于和所接触的 材料表面发生反应，因此近年来，低温等离子体在灭菌消毒、表面改件(改善 纸张、薄膜、纺织品以及纤维的可湿性、吸水性、印染性、粘着性和导电性等 方面的性质)、薄膜沉积、刻蚀加工、器件清洗等领域得到越来越广泛的应用。 目前，多数低温等离子体是在几百帕的低气压下通过气体放电产生的，但对于 大规模工业生产，低气压等离子体存在两个重耍缺点(1)放电和反应室处于 低气压状态，需采用真空系统，投资高且应用复杂。(2)分批处理效率低，需要 不断地打开真空室取出成品添加试品，然后重新抽真空充入工作气体，难于连 续生产。因此，更适合用于大规模低温生产应用的是大气压下形成的低温等离 子体。
大气压低温等离子体射流是近年来兴起的一种新型大气压类辉光等离子体 发生技术，这种技术可以将微小空间内的放电加以扩大并引出，形成较为开阔 的大气压类辉光放电等离子体。应用多种工作气体及其混合气体都可以有效地 产生冷等离子体射流，具有击穿电压较低、离子和亚稳态分子浓度较高、电子温度高、中性分子温度低、产生的等离子体中均匀部分较大、可控性好等特点， 是目前国际上等离子体应用领域的研究热点。传统大气压低温等离子体射流装
置通常工作在He、 Ar、 02等气体与气体混合中，为了得到高的处理效率，希望 射流产生的化学活性成分浓度越高越好，但在射流中加入过多的02会导致放电 击穿与维持电压升高，放电容易不稳定，从而过渡到弧放电，所以极大限制了 处理效率。
发明内容
本发明旨在提供一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，主要通过预
电离方式降低02放电的击穿与维持电压，从而提高射流中的02流量，获得高化 学活性的大气压低温等离子体射流。
本发明的技术方案是以Ar、 02混合气体为工作气体，可在常压开放空气 环境中获得均匀稳定的大气压辉光放电低温等离子体射流。该装置的主体部分 是一根下端开放的毫米量级主石英管，规格为长120mm，内径5.0mm，外径 7.0mm，在石英管开口端上部15-25mm处有一变经，在20mm处变为最细，内经 3.0mm，夕卜经4.0mm;另一端封闭并在内部安装一细的石英管，规格为长95mm， 内径2.0mm，外径3.0mm;在细石英管内部再接一用于预电离放电的针头，规格 为长45mm，内径0.5mm，外径1.0mm。在针头内部通入Ar气，气体流量可在 0.08-0.4 m3/h之间变化。在主石英管封闭端下方30mm处侧部有一进气口，在这 里通入02，流量可在0.08-0. 13m3/h之间变化。在距主石英管开口端上方20mm变 经处缠绕一金属环，这一金属环与针头都接电源的高压输出端，是高压电极。 距主石英管开口端下方15mm处有一金属电极，这一电极是接地电极，其上部表 面被一绝缘介质所覆盖。通过施加交流电压，针电极作为单电极放电可以产生放电等离子体，然后该放电等离子体在Ar气流的吹动下沿着细石英管内部迁移， 到达细石英管下方开口处并射出，同时也到达环状电极与地电极之间的主石英 管放电区，为此区域放电提供种子电子。通过调节外加电压及工作Ar、 02气体 流量，可在环状电极与接地电极之间获得均匀稳定的大气压辉光放电低温等离 子体射流。
本发明的效果和益处在于利用单针管放电作为预电离技术，使环状电极
与地电极之间的主放电的击穿与维持电压都大大降低，有利于稳定的氧气放电 的产生与维持，所以可以有效提高放电中的氧气流量，产生高浓度氧原子，从 而提高处理效率。本发生器产生的放电等离子体射流具有温度适中、放电功率
大、放电稳定、O活性成分浓度高、连续工作时间长等优点。
附图是预电离结构的大气压低温等离子体射流发生器的结构示意图。 图中
101. 流量计，用于控制输入针电极的Ar工作气体流量。
102. 流量计，用于控制输入环状电极的02工作气体流量。
103. 针电极，产生预电离放电等离子体。
104. 细石英玻璃管，针电极产生的放电等离子体沿着此石英管进行迁移并到 达主石英管变经处，为主放电提供种子电子。
105. 主石英管，起到限制与引导氧气流动的作用；在变经处施加环状电极， 形成所谓介质阻挡放电的特性。
106. 环状电极，施加高电压，产生主放电，是形成高氧原子浓度的主要放电部分。107. 放电产生的等离子体射流区，高浓度活性种类主要产生于这一区域。
108. 绝缘介质板，起到一种负反馈作用，可以有效抑制放电强度，避免弧放电的产生。
109. 地电极，是环状电极放电的另一极。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式
。图中工作气体氩气经流量计101后，由针管103进入石英管104。工作气体氧气经流量计102进入主石英管105。主石英管105开口端口上方20mm处有一变经并缠绕一环状电极106。距离主石英管105开口端下方15mm有一绝缘介质板108，厚度在1.0-3.0 mm之间可选，绝缘介质下面是金属电极109，也是接地电极。在针管电极与环状电极上施加一电压(频率30-60 kHz，电压0-10kV可调，最大功率1.5kW)，就会产生放电等离子体，等离子体射流区域107。
当通过髙压电极施加交流高压达到氩气击穿阈值时，单针电极首先产生放电，在Ar气流吹动下，放电等离子体会沿着细石英管104向下迁移，并在下方开口端射出。这时，由于从104处射出的等离子体带有电子，为106与109之间的放电提供了种子电子。再升高电压，使氧气开始放电，从而在106与109之间产生放电等离子体。用示波器做在线分析发现，稳态射流的放电电流与外加电压频率相同，且每半周期出现一次脉冲峰，这一规律与大气压辉光放电电流状态相似；用光纤温度传感器监测发现，射流最高温度为21(TC左右，最低16(TC，属典型的低温等离子体；通过光谱检测发现，射流区富含O，浓度可以达到9.8xl017/cm3，比国际上目前报道的最高0浓度2.1xl017/cm3高出3.6倍多。因此，该大气压低温等离子体射流发生器所产生的稳态射流可用于消毒灭菌、表面处理、表面刻蚀、表面镀膜等应用领域，具有非常高的效率。
氧气与氩气的混合比例必须合适，目前利用该装置氧气的最高混合比例可
以达到20%，比目前国际上能达到的最高比例5%高出了三倍。氧气混合比例越
高，放电击穿与维持电压越高，等离子体射流的温度也越高。再高的氧气混合 比例会导致放电不稳定性的出现，最后过渡到弧放电或者丝状放电状态。在放
电过程中，高电压伴随强放电，则o浓度也会快速升高，但代价是等离子体射
流的温度的升高。过高的电压会导致放电的不稳。在上述放电频率的范围内，
频率对放电稳定性影响比较小，而频率高，O浓度也高，但主放电等离子体温 度也越高。
实施例
选取氩气(纯度99.999%)为单针电极工作气体，能够产生稳态射流的流量下 限是0.08m3/11。以氧气为环状电极工作气体，最高流量0.13 m3/h。现选取氩气流 量为0.26m3/11，氧气流量为0.13mVh:
1. 当施加4.0 kV的电压时，单针预电离放电产生，再升高电压至8.0 kV， 则环状电极放电产生。
2. 进一步增大电压，放电可以稳定维持，最大电压为12 kV，超过这一电 压，放电会变得不稳定，出现弧放电，放电等离子体射流温度会迅速升高。
3. 在稳定放电的参数范围内，所测到的最大氧原子浓度为9.8xl0 cm3。
4. 利用该装置，进行物体表面重油清洗处理，最高处理效率为250 |Lim/S。
权利要求
1. 一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，其特征在于装置主体为一根下端开放的毫米量级主石英管，上部侧端通入氧气，下部开口端为射流出口；在开口端口上方有一变经并在变经处缠绕一环状电极；通过主石英管上部封闭端口在主石英管内部接一细石英管，在细石英管内部有一针电极，在针电极内通入氩气；在主石英管开口端下方有一接地电极，并在接地电极上覆盖一绝缘介质板；在针电极与环状电极上施加相同的高压交流电，针电极会产生单电极放电，而在环状电极与接地电极之间也会产生放电，并在开放的空气环境中形成放电等离子体射流。
2. 根据权利要求1所述的一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，其特征 在于在主石英管下部开口端上方15-25mm处有一变经，在主石英管下部开 口端上方20mm变为最细并在此处缠绕一环状电极。
3. 根据权利要求1所述的一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，其特征 在于通过主石英管上部封闭端口在主石英管内部接一细石英管，在细石英 管内部有一针电极。
4. 根据权利要求1所述的一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，其特征 在于所采用电源为交流高压电源，频率30-60kHz，电压0-20kV。
5. 根据权利要求1所述的一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，其特征 在于供气源所提供工作气体为氩气和氧气。
全文摘要
本发明属等离子体放电反应器技术领域，涉及一种预电离结构的大气压低温等离子体射流发生器。其特征在于装置主体为一根一端开放的毫米量级主石英管，其下方开口端上方15-25mm处有一变经并在20mm变为最细，在此处缠绕一环状电极。通过主石英管上方封闭端在其内部接一细石英管，在细石英管内部有一针电极。在主石英管开口端下方有一接地电极。针电极内通入氩气，主石英管中通入氧气。针电极与环状电极上施加相同的高压，针电极放电为环状电极放电提供种子电子，则在环状电极与接地电极间形成稳定的辉光放电等离子体射流。本发明的效果和益处在于，所获常压等离子体射流可以产生高浓度的化学活性种类，具有实用价值。
文档编号H05H1/26GK101466194SQ20091001011
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月13日 优先权日2009年1月13日
发明者任春生, 王德真 申请人:大连理工大学