[发明专利]利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法

说明书

本发明提供了一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法。该装置利用针电极、介质管及平板电极组成喷枪结构，通过在针电极上施加高压交流电压，在介质管敞口端的开放环境产生非均匀丝状等离子体羽，之后逐渐增加在平板电极上施加的高压正直流电压，使得非均匀丝状等离子体羽转变为均匀等离子体羽。在本发明实施例中所产生的均匀等离子体羽最大直径为20mm，大于现有大多数在惰性气体中产生的大气压等离子体羽的直径，且不需要添加其他气体，提高了处理速率和效率，适宜大规模工业应用，在表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等领域具有深远的意义。

技术领域

本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法。

背景技术

等离子体射流利用气流和电场的作用使得放电区域产生的等离子体从喷管或喷口喷出，实现了放电区域和工作区域的分离。大气压等离子体射流产生的等离子体羽富含多种活性粒子，如OH自由基、O₃、处于激发态的N₂等；还有大量高能粒子(如电子)及紫外线。这些活性粒子、高能粒子及紫外线在许多领域具有十分重要的作用，如材料处理、元素探测、废水净化、癌症治疗及牙齿美白等。

等离子体羽的长度表征了射流传导活性粒子的能力，因此等离子体射流应用中力求产生更长的等离子体羽。利用单电极等离子体射流，在正弦激励下产生了长11cm的氦气等离子体羽(见公开文献Applied Physics Letters,2008,92:081502)。利用高压脉冲电压激励介质阻挡放电射流，产生了长度约为6cm的氩气等离子体羽(见公开文献NanoscaleResearch Letters,2014,9:697)。这些等离子体较长，有利于处理复杂的三维物体，但直径只有亚毫米量级，限制了等离子体射流用于大面积材料处理的工作效率。由于这些细等离子体羽看起来是丝状的，如果仅通过增大射流管的直径来增加等离子体羽直径，会使等离子体羽变为不均匀的丝状放电。丝状放电会对脆弱样品造成损伤。因此，应尽量避免产生不均匀的丝状等离子体羽，实现均匀等离子体羽。

鉴于此，如何产生均匀等离子体羽对射流应用具有重要意义。通过向氩气中加入氨气(或氢气)，当氨气(或氢气)的体积分数达到3％以上时，等离子体变得均匀(见公开文献Physics of Plasmas,2016,23,093503和Journal of applied Physics,2013,114,043301)。类似的，当向氩气中加入丙酮的体积分数约为3％时，放电由丝状变为均匀(见公开文献Japanese Journal of Applied Physics,2011,50,116002)。以上虽然实现了均匀等离子体羽，但等离子体羽直径仍然只有毫米量级。

在专利申请文件(CN201410780621.6)中公开了一种产生连续低温大截面大气压等离子体羽的装置及方法，其所产生的均匀等离子体羽的最大直径为7mm。现有研究的技术背景表明均匀冷等离子体羽的直径一般小于厘米量级。

发明内容

本发明的目的就是提供一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置及方法，以解决现有方法所产生的均匀等离子体羽直径较小的问题。

本发明是这样实现的：一种利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的装置，包括放电机构、供气机构和供电机构；所述放电机构包括针电极、介质管和平板电极；针电极的放电端与平板电极的极板板面相对，且针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内，并伸入到介质管的敞口端处；针电极的非放电端与供电机构相接；所述供气机构包括供气管路以及用于向所述放电机构提供惰性工作气体的储气罐；所述供电机构包括高压交流电源、高压直流电源和镇流电阻；所述高压交流电源与所述针电极的非放电端相接；所述高压直流电源经镇流电阻与平板电极相接。

本发明所提供的利用惰性气体产生大直径均匀等离子体羽的方法，具体包括如下步骤：

a、设置放电机构：使针电极与平板电极相对放置，针电极的放电端自介质管的封口端穿入介质管内并伸入到介质管的敞口端处；