一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置及方法。該裝置包括放電機構(gòu)、供氣機構(gòu)和高壓電源；所述放電機構(gòu)包括空心針電極、平板電極和玻璃管；所述空心針電極通過所述玻璃管與所述供氣機構(gòu)相接，所述空心針電極與所述高壓電源電相接，所述平板電極與地線相連接。采用本發(fā)明所提供的裝置可在空氣環(huán)境中產(chǎn)生大氣壓均勻放電，因此由大氣壓均勻放電所產(chǎn)生的低溫等離子體脫離了對真空裝置的依賴，從而可降低生產(chǎn)成本，易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應用；而且，氮氣和/或惰性氣體沿空心針電極進入放電空間，氣體消耗量較小，相比由噴槍產(chǎn)生的大氣壓均勻放電經(jīng)濟性好。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，適合批量生產(chǎn)，有利于推廣應用。
【專利說明】—種產(chǎn)生大氣壓均勾放電的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低溫氣體放電方法，具體地說是一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體放電產(chǎn)生的低溫等離子體具有非常廣泛的應用，例如在工業(yè)領(lǐng)域可以制作紫外光源、大面積平板顯示器，同時還可以用于微化學分析、生物醫(yī)學、材料表面改性和加工、環(huán)境污染物的處理等，在軍事上可用于飛行器減阻、航空器隱身等。因此，低溫等離子體技術(shù)是一個關(guān)系民生醫(yī)療、國家能源、環(huán)境、國防安全的重要技術(shù)。低溫等離子體應用雖如此廣泛，但它也有明顯的局限性。這是由于低溫等離子體一般產(chǎn)生在低氣壓下，因此需要真空設(shè)備和隨之而來的高昂維護費，同時真空裝置的存在不利于實現(xiàn)大規(guī)模流水線作業(yè)。這些都限制了等離子體技術(shù)的研究和應用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的之一就是提供一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，以使低溫等離子體在大氣壓中產(chǎn)生，從而避開對真空裝置的依賴，減少低溫等離子體技術(shù)的研究成本，適于批
量生產(chǎn)。
[0004]本發(fā)明的目的之二就是提供一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法，以在氣體消耗量較小的情況下產(chǎn)生大間隙、大氣壓均勻放電，進而降低運行費用。
[0005]本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，包括放電機構(gòu)、供氣機構(gòu)和高壓電源；
所述放電機構(gòu)包括空心針電極、平板電極和玻璃管；所述空心針電極與所述高壓電源電連接，所述平板電極與地線相連接；所述空心針電極的后端插接在所述玻璃管的前端出氣口上，所述空心針電極的前端為放電端，并與所述平板電極的極板板面相對，所述玻璃管的后端進氣口連接所述供氣機構(gòu)；
所述供氣機構(gòu)包括供氣管路和向所述放電機構(gòu)提供氮氣和/或惰性氣體的氣瓶或氣泵；所述供氣管路的一端與所述玻璃管相連通，所述供氣管路的另一端接所述氣瓶或所述氣泵；在所述供氣管路上設(shè)置有氣閥、氣壓表和流量計；
所述空心針電極與所述平板電極處于大氣環(huán)境中，在所述高壓電源接通使所述空心針電極帶電、并且在氮氣和/或惰性氣體注入并通過所述空心針電極噴出時，在所述空心針電極的放電端與所述平板電極之間形成的放電區(qū)域內(nèi)即可產(chǎn)生大氣壓均勻放電。
[0006]所述平板電極設(shè)置在一個絕緣桌面上，極板板面向上；在所述絕緣桌面上設(shè)置有縱向?qū)к?，在所述導軌上接有可定位的滑動支架，所述玻璃管固定在所述滑動支架上，使所述空心針電極的放電端向下指向所述平板電極。
[0007]在所述放電機構(gòu)中包括有至少兩個所述空心針電極和與所述空心針電極數(shù)量相同的平板電極，所述空心針電極并聯(lián)連接后，再與所述高壓電源電連接；所述平板電極并聯(lián)連接后，再與地線相接；每個所述空心針電極插接在一個所述玻璃管前端的出氣口上，所述 供氣機構(gòu)中的所述氣瓶或氣泵為每個所述玻璃管提供氮氣和/或惰性氣體。
[0008]所述高壓電源為正極性直流高壓電源、負極性直流高壓電源或頻率為(T20MHz的 交流高壓電源；所述高壓電源的峰值電壓為±50kV，所述高壓電源的峰值電流為100mA。
[0009]在所述高壓電源與所述空心針電極之間串接有50kQ飛OMQ的鎮(zhèn)流電阻。
[0010]所述平板電極的極板板面為圓形或方形，所述平板電極的極板板面面積遠大于所 述空心針電極放電端的端部面積。
[0011]所述空心針電極的放電端的端面為平面或錐面，所述空心針電極的放電端與所述 平板電極極板板面之間的最大放電距離為10cm。
[0012]本發(fā)明的空心針電極和平板電極處于大氣環(huán)境中，空心針電極電連接高壓電源， 平板電極接地，供氣機構(gòu)通過玻璃管向空心針電極提供氮氣和/或惰性氣體，因此可在空 心針電極的放電端與平板電極極板板面之間產(chǎn)生大氣壓均勻放電，由大氣壓均勻放電所產(chǎn) 生的低溫等離子體脫離了對真空裝置的依賴，從而可降低生產(chǎn)成本，易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè) 化應用。
[0013]本發(fā)明的氮氣和/或惰性氣體沿空心針電極進入放電機構(gòu)中的放電空間，氣體消 耗量小，相比由噴槍產(chǎn)生的大氣壓均勻放電經(jīng)濟性好。
[0014]本發(fā)明的兩個放電電極之間的間隙大，最大可達10cm，可清楚地觀測到放電等離 子體；利用該裝置可以系統(tǒng)地研究在大氣壓下輝光、電暈及流光等放電等離子體的激發(fā)原 理和影響因素，對大氣壓放電產(chǎn)生的等離子體技術(shù)的研究、教學以及工業(yè)化應用將會有積 極的推廣作用。
[0015]通過對高壓電源極性、氮氣和/或惰性氣體流量、兩個放電電極的間距、空心針電 極的內(nèi)外半徑等不同參數(shù)的調(diào)控，可實現(xiàn)對所產(chǎn)生的大氣壓均勻放電的控制。在需要時，本 發(fā)明還可以并聯(lián)多個放電機構(gòu)，從而產(chǎn)生具有更大面積或更大體積的大氣壓均勻放電。本 發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，適合批量生產(chǎn)，有利于工業(yè)化推廣應用。
[0016]本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法，包括以下步 驟:
a、將空心針電極的后端插入玻璃管的前端出氣口內(nèi)，將所述空心針電極的前部放電端 對準平板電極的極板板面；
b、將所述空心針電極與高壓電源電連接，將所述平板電極接地；
C、在所述玻璃管的后端進氣口上連接供氣管路，在所述供氣管路的末端連接盛裝氮氣 和/或惰性氣體的氣瓶或氣泵，在所述供氣管路上設(shè)置氣閥、氣壓表和流量計；
d、打開并調(diào)節(jié)氣閥，使所述氣瓶或氣泵內(nèi)的氮氣和/或惰性氣體以2(T50ml/min的流 量通過所述供氣管路進入所述玻璃管，再通過所述空心針電極的放電端口噴出；
e、打開所述高壓電源的開關(guān)后即可在所述空心針電極的放電端與所述平板電極的極 板板面之間的大氣環(huán)境中產(chǎn)生大氣壓均勻放電。
[0017]上述產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法還包括以下步驟:
f、調(diào)節(jié)所述空心針電極的放電端與所述平板電極極板板面之間的距離，通過高速相 機、示波器和光譜儀對所產(chǎn)生的大氣壓均勻放電進行監(jiān)測和記錄；
g、將所述高壓電源的輸出電壓降至OV后，斷開所述高壓電源的開關(guān)，再關(guān)閉所述供氣管路上的氣閥，整個放電過程結(jié)束。
[0018]上述方法中步驟c和d中所述氮氣和/或惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣中的一種， 或是任意兩種以上的混合氣體。
[0019]本發(fā)明使空心針電極電連接高壓電源，使平板電極接地，由供氣機構(gòu)向空心針電 極供氣，可在空心針電極與平板電極之間產(chǎn)生大間隙、大氣壓均勻穩(wěn)定放電；氣體由空心針 電極進入放電空間，消耗量較小，運行費用低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明大氣壓均勻放電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是放電電壓為三種正直流高壓下拍攝的大氣壓均勻放電的放電照片。
[0022]圖3是放電電壓為三種負直流高壓下拍攝的大氣壓均勻放電的放電照片。
[0023]圖中:1、平板電極，2、高壓電源，3、鎮(zhèn)流電阻，4、氣瓶或氣泵，5、氣閥，6、氣壓表，7、 流量計，8、玻璃管，9、橡皮塞，10、空心針電極。
【具體實施方式】
[0024]實施例1:單組放電電極的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置。
[0025]如圖1所示，本實施例是由單組放電電極所組成的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置， 該裝置包括放電機構(gòu)、供氣機構(gòu)和高壓電源；供氣機構(gòu)用于為放電機構(gòu)提供所需氮氣和/ 或惰性氣體，高壓電源2用于為放電機構(gòu)提供所需放電電壓，放電機構(gòu)可在空氣環(huán)境中產(chǎn) 生大氣壓均勻放電。
[0026]放電機構(gòu)包括兩個放電電極和玻璃管8，兩個放電電極分別為空心針電極10和平 板電極I。玻璃管8的前端為出氣口，玻璃管8的后端為進氣口。空心針電極10的后端插 接在玻璃管8的前端出氣口上，空心針電極10的前端為放電端，空心針電極10的放電端與 平板電極I的極板板面相對?？招尼橂姌O10通過鎮(zhèn)流電阻3與高壓電源2電連接，平板電 極I與地線相連接。在空心針電極10的放電端與平板電極I的極板板面之間即形成了放 電區(qū)域。鎮(zhèn)流電阻3的阻值為50k Q飛OMQ。玻璃管8的后端進氣口與供氣機構(gòu)相接，在玻 璃管8的進氣口和出氣口處均設(shè)置有橡膠塞9，通過橡膠塞9可使玻璃管8分別與供氣機構(gòu) 和空心針電極10嚴格密封，有效地防止了漏氣現(xiàn)象的發(fā)生。
[0027]供氣機構(gòu)包括供氣管路和向放電機構(gòu)提供氮氣和/或惰性氣體的氣瓶或氣泵4 ； 供氣管路的一端與玻璃管8的進氣口相連通，供氣管路的另一端連接氣瓶或氣泵4。在供氣 管路上設(shè)置有氣閥5、氣壓表6和流量計7。通過氣瓶或氣泵4提供的工作氣體，可以是氮 氣或任意一種惰性氣體(包括氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣等)，也可以是氮氣與某種惰性 氣體按任意比例組成的混合氣體?？紤]到成本問題，一般選用價格相對便宜的氦氣或氬氣。
[0028]上述工作氣體經(jīng)由供氣管路和玻璃管8，再通過空心針電極10噴出，進入放電空 間，其作用，一方面可降低放電空間的溫度，另一方面是用以消除空氣中氧氣對大氣壓均勻 放電的影響。
[0029]空心針電極10與平板電極I處于大氣環(huán)境中，在高壓電源2接通使空心針電極10 帶電、并且在氮氣和/或惰性氣體注入并通過空心針電極10噴出時，在空心針電極10的放 電端與平板電極I的極板板面之間形成的放電區(qū)域內(nèi)即可產(chǎn)生大氣壓均勻放電。[0030]本發(fā)明中兩個放電電極之間的間距大小可調(diào)，空心針電極10的放電端與平板電 極I的極板板面之間在軸線上的最大距離可達到10cm。
[0031]在本實施例中，平板電極I可以水平放置在一個絕緣桌面上，平板電極I的極板板 面向上；在絕緣桌面上還設(shè)置有縱向?qū)к?，在導軌上接有可定位的滑動支架，玻璃?固定 在該滑動支架上，使空心針電極10的放電端向下指向平板電極I。通過改變滑動支架在導 軌上的高低位置，即可調(diào)整空心針電極10的放電端與平板電極I的極板板面之間的距離。
[0032]空心針電極10可以是采用不銹鋼或其他金屬材料制作而成的空心針，空心針電 極10的內(nèi)外半徑可根據(jù)需要而設(shè)定?？招尼橂姌O10的放電端端面可以為平面，也可以是 具有一定曲率的錐面。
[0033]平板電極I可以是采用銅或鋁等金屬材料制作而成的平板，平板電極I的極板板 面可以是圓形或方形等不同的幾何形狀。平板電極I的極板板面面積一般在IOOcm2以上， 而空心針電極10放電端的端部面積一般在5cm2以下，所以，平板電極I的極板板面面積遠 大于空心針電極10放電端的端部面積。
[0034]高壓電源2可以為正極性或負極性的直流高壓電源，也可以是頻率為(T20MHz的 交流高壓電源。高壓電源2的峰值電壓為±50kV，高壓電源2的峰值電流為100mA。
[0035]放電機構(gòu)中的玻璃管8、空心針電極10以及平板電極I可以根據(jù)具體需要增大或 者縮小形狀。由空心針電極10噴出的氣體流量的大小，可通過氣閥5進行調(diào)節(jié)。
[0036]實施例2:多組放電電極的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置。
[0037]本實施例是一種包括有多組放電電極的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，即在放電機 構(gòu)中包括有至少兩個空心針電極10和與空心針電極10數(shù)量相同的平板電極I，所有空心 針電極10并聯(lián)連接后，再與高壓電源2電連接；所有平板電極I并聯(lián)連接后，再與地線相 接。每個空心針電極10插接在一個玻璃管8前端的出氣口上，供氣機構(gòu)中的氣瓶或氣泵4 為每個玻璃管8提供氮氣和/或惰性氣體。所有玻璃管8可以共同連接同一個氣瓶或氣泵 4上，也可以分別連接一個氣瓶或氣泵4。通過多個放電電極的并聯(lián)，可有效地增大所產(chǎn)生 的大氣壓均勻放電的面積或者體積。
[0038]實施例3:正直流高壓下產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法。
[0039]首先按圖1所示連接各部件。本實施例中所用玻璃管8長度為5cm，半徑為Icm ； 橡皮塞9中所插空心針電極10的內(nèi)外半徑分別為0.9cm和1.2cm，空心針電極10在橡皮塞 9外露出1cm。平板電極I為一銅柱，銅柱的半徑為5cm。高壓電源2采用正極性的直流高 壓電源，電壓為(Tl5kV，電流為(T40mA，電路中鎮(zhèn)流電阻3為700k Q。供氣機構(gòu)采用氣瓶供 氣，所供氣體為氬氣。
[0040]打開氣閥5，調(diào)節(jié)氬氣流量為30mL/min ;之后打開高壓電源2開關(guān)，調(diào)節(jié)高壓電源 2電壓，電壓約為7kV的時候?qū)诳招尼橂姌O10的放電端與平板電極I的極板板面之間 產(chǎn)生大氣壓均勻放電。
[0041]調(diào)節(jié)空心針電極10的放電端與平板電極I的極板板面之間的距離為2.5cm。如果 需要采用放電等離子體對材料進行處理時，則此時即可將待處理的材料放入放電空間。
[0042]打開高速相機、示波器和光譜儀等儀器對放電參數(shù)進行監(jiān)測和記錄。本實施例中 采用佳能E0S7D拍攝兩放電電極之間所產(chǎn)生的大氣壓均勻放電的放電照片，拍攝時曝光時 間為Is。調(diào)節(jié)高壓電源2的放電電壓分別為10kV、12kV和14kV時，所產(chǎn)生的大氣壓均勻放電情況依次對應于圖2 (a)、圖2(b)和圖2(c)的三種圖示情況。
[0043]通過圖2中三幅放電圖片的對比，結(jié)合圖片中的標尺可見，本發(fā)明的大氣壓均勻 放電裝置可在正直流高壓下，一方面，可產(chǎn)生放電等離子體；另一方面，隨著放電電壓的增 大，放電等離子體的長度、面積和體積都明顯增大。
[0044]待對大氣壓均勻放電監(jiān)測記錄完畢，將高壓電源2的輸出電壓降至0V，斷開高壓 電源2的開關(guān)，再關(guān)閉供氣管路上的氣閥5，則整個放電過程結(jié)束。
[0045]實施例4:負直流高壓下產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法。
[0046]本實施例與實施例3所采用的大氣壓均勻放電裝置基本相同，不同之處，一是高 壓電源2采用了負極性的直流高壓電源，二是空心針電極10的放電端與平板電極I的極板 板面之間的距離有所改變。
[0047]首先，調(diào)節(jié)空心針電極10的放電端與平板電極I的極板板面之間的距離為2cm，調(diào) 節(jié)高壓電源2的放電電壓分別為SkV和12kV，在這兩種不同的放電電壓下產(chǎn)生的大氣壓均 勻放電，分別采用高速相機進行拍攝，拍照時曝光時間為40ms，所得大氣壓均勻放電的照片 如圖3(a)和圖3(b)所示。
[0048]之后，再調(diào)節(jié)空心針電極10的放電端與平板電極I的極板板面之間的距離為
1.2cm，高壓電源2的放電電壓仍為12kV，對所產(chǎn)生的大氣壓均勻放電采用高速相機拍攝， 拍照時曝光時間為40ms，所得放電照片如圖3(c)所示。
[0049]通過圖3中三幅放電圖片的對比，結(jié)合圖片中的標尺可見，本發(fā)明的大氣壓均勻 放電裝置在負直流高壓條件下，一方面，可產(chǎn)生放電等離子體；另一方面，隨著放電電壓的 增大，放電等離子體的長度、面積和體積都有明顯增大，兩放電電極之間間距的改變，也對 所產(chǎn)生的放電等離子體有一定的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，包括放電機構(gòu)、供氣機構(gòu)和高壓電源；所述放電機構(gòu)包括空心針電極、平板電極和玻璃管；所述空心針電極與所述高壓電源電連接，所述平板電極與地線相連接；所述空心針電極的后端插接在所述玻璃管的前端出氣口上，所述空心針電極的前端為放電端，并與所述平板電極的極板板面相對，所述玻璃管的后端進氣口連接所述供氣機構(gòu)；所述供氣機構(gòu)包括供氣管路和向所述放電機構(gòu)提供氮氣和/或惰性氣體的氣瓶或氣泵；所述供氣管路的一端與所述玻璃管相連通，所述供氣管路的另一端接所述氣瓶或所述氣泵；在所述供氣管路上設(shè)置有氣閥、氣壓表和流量計；所述空心針電極與所述平板電極處于大氣環(huán)境中，在所述高壓電源接通使所述空心針電極帶電、并且在氮氣和/或惰性氣體注入并通過所述空心針電極噴出時，在所述空心針電極的放電端與所述平板電極之間形成的放電區(qū)域內(nèi)即可產(chǎn)生大氣壓均勻放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，所述平板電極設(shè)置在一個絕緣桌面上，極板板面向上；在所述絕緣桌面上設(shè)置有縱向?qū)к墸谒鰧к壣辖佑锌啥ㄎ坏幕瑒又Ъ?，所述玻璃管固定在所述滑動支架上，使所述空心針電極的放電端向下指向所述平板電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，在所述放電機構(gòu)中包括有至少兩個所述空心針電極和與所述空心針電極數(shù)量相同的平板電極，所述空心針電極并聯(lián)連接后，再與所述高壓電源電連接；所述平板電極并聯(lián)連接后，再與地線相接；每個所述空心針電極插接在一個所述玻璃管前端的出氣口上，所述供氣機構(gòu)中的所述氣瓶或氣泵為每個所述玻璃管提供氮氣和/或惰性氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，所述高壓電源為正極性直流高壓電源、負極性直流高壓電源或頻率為( 20ΜΗζ的交流高壓電源；所述高壓電源的峰值電壓為±50kV，所述高壓電源的峰值電流為100mA。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，在所述高壓電源與所述空心針電極之間串接有50k Ω飛OM Ω的鎮(zhèn)流電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，所述平板電極的極板板面為圓形或方形，所述平板電極的極板板面面積遠大于所述空心針電極放電端的端部面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的裝置，其特征是，所述空心針電極的放電端的端面為平面或錐面，所述空心針電極的放電端與所述平板電極極板板面之間的最大放電距離為10cm。
8.—種產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法，其特征是，包括以下步驟:a、將空心針電極的后端插入玻璃管的前端出氣口內(nèi)，將所述空心針電極的前部放電端對準平板電極的極板板面； b、將所述空心針電極與高壓電源電連接，將所述平板電極接地；C、在所述玻璃管的后端進氣口上連接供氣管路，在所述供氣管路的末端連接盛裝氮氣和/或惰性氣體的氣瓶或氣泵，在所述供氣管路上設(shè)置氣閥、氣壓表和流量計；d、打開并調(diào)節(jié)氣閥，使所述氣瓶或氣泵內(nèi)的氮氣和/或惰性氣體以2(T50ml/min的流量通過所述供氣管路進入所述玻璃管，再通過所述空心針電極的放電端口噴出；e、打開所述高壓電源的開關(guān)后即可在所述空心針電極的放電端與所述平板電極的極板板面之間的大氣環(huán)境中產(chǎn)生大氣壓均勻放電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法，其特征是，還包括以下步驟:f、調(diào)節(jié)所述空心針電極的放電端與所述平板電極極板板面之間的距離，通過高速相機、示波器和光譜儀對所產(chǎn)生的大氣壓均勻放電進行監(jiān)測和記錄；g、將所述高壓電源的輸出電壓降至OV后，斷開所述高壓電源的開關(guān)，再關(guān)閉所述供氣管路上的氣閥，整個放電過程結(jié)束。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的產(chǎn)生大氣壓均勻放電的方法，其特征是，步驟C和d中所述氮氣和/或惰性氣體為氮.氣、氬氣或氦氣中的一種，或是任意兩種以上的混合氣體。
【文檔編號】H05H1/24GK103442507SQ201310353011
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】李雪辰, 狄聰 申請人:河北大學