CN101437352B - 等离子体接力装置 - Google Patents

Abstract

等离子体接力装置，属于等离子体发生装置，解决现有等离子体发生装置强度、温度调节范围过窄，工作气体单一的问题；本发明等离子体射流源的等离子体喷出口处安装有1个或多个管状介质容器，各介质容器的气体输入口与等离子体射流源的工作气体源或者多个单独工作气体源相连通；等离子体射流源喷出的等离子体射流与第一个介质容器表面接触；各介质容器等离子体喷出口喷出的等离子体射流与下一个介质容器表面接触，最后一个介质容器等离子体喷出口输出工作等离子体射流。本发明产生强度、温度均可变化的富含活性成份的等离子体射流，特别是常压下产生接近室温的等离子体射流，同时人体可以与之安全的相接触，并适用于多种气体放电。

Description

等离子体接力装置

技术领域

本发明属于等离子体发生装置，具体涉及一种等离子体接力装置。

背景技术

近年来，等离子体备受关注，其产生方法和技术一直处于不断的发展中，并已经取得很大的进步。通常，等离子体由正离子、中性粒子和电子组成。一般来说，等离子体可以分为两类：热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡表示等离子体中所有粒子的温度一样。

在非热平衡等离子体中，电子的温度可高达数万度，而离子和中性粒子的温度远小于电子温度，因此非热平衡等离子体可作为高活性反应物应用于多种实际应用中。这种“热的冷却物”优点众多，并可实现广泛的实际应用和提供良好的经济机遇，比如等离子体沉积和镀膜、刻蚀、表面处理、化学净化，生物净化以及医学应用。

大气压下，由于工作气体击穿电压相对较高，通常放电间隙距离非常有限，一般为数毫米至数厘米之间，这直接限制了被处理物品的形状和大小。假如采用等离子体间接处理，由于其中许多活性成份，如氧原子和许多带电粒子寿命非常短暂，以至于还没到达被处理物表面就消失，导致处理效率非常低。为了解决上述问题，最近大气压非热平衡等离子体射流装置备受关注，其可以直接在外界空间中产生等离子体射流，相对于狭窄间隙的放电等离子体具有独特的优势，并可以直接处理物品，同时被处理物品的形状和大小不受任何限制。

以下是几种现有的非热平衡等离子体射流装置：

(1)交流非热平衡等离子体射流装置

Yong Cheol Hong etal.“Microplasma jet at atmospheric pressure”ApplPhysics Letter 89，221504(2006)，描述了一种大气压下以氮气为工作气体产生等离子射流的装置，如图1所示，该装置包括电极3、接地电极4、介质圆片9、介质容器6和(交流)电源1，电极3和接地电极4由介质圆片9隔开，并共同置于介质容器6中，(交流)电源1连接电极3和接地电极4；工作时，(交流)电源1调至高压，频率20千赫兹，以3升/秒的流量速度向介质容器6输入工作气体5(氮气)，在电极3和接地电极4间进行放电产生等离子体，并从等离子体喷出口以约255米/秒的速度喷射出等离子体射流17，等离子体射流17长度6.5厘米，温度接近室温。电极3和接地电极4都与等离子体射流17直接接触，易发生弧光放电，对于一些实际应用不安全，如牙齿清洗、根管治疗以及伤口辅助愈合等。

类似的装置还有Jialing Zhang etal.“A novel cold plasma jet generatedby atmospheric dielectric barrier capillary discharge”thin solid films506(2007))中描述的一种产生低温等离子体射流的装置，如图2所示，该装置包括电极3、接地电极4、介质容器6、气体调控开关8和(交流)电源1。电极3为钨材料电极，位于介质容器6中央并与(交流)电源1连接，接地电极4紧贴介质容器6外壁，工作气体5从介质容器6的气体输入口进入，由气体调控开关8控制其流量，操作时产生等离子体射流17。该装置电极3裸露在外部空间中，并与等离子体射流17直接接触，对于一些实际应用也不安全。

(2)射频非热平衡等离子体射流装置

E stoffels etal.“Plasma needle for in vivo medical treatment：recentdevelopments and perpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006)，描述了一种射频等离子体针装置，如图3所示，该装置包括电极3、介质容器6、绝缘介质层7、(射频)电源1。绝缘介质层7为直径4毫米的陶瓷管。电源1为10兆赫兹的射频电源，与电极3相连。电极3为直径0.3毫米的钨丝，放置于绝缘介质层7中央，顶端不包含于绝缘介质层7内，裸露于外部空间中，并与绝缘介质层7一起由固定架11固定于介质容器6中央，工作气体5从介质容器6的气体输入口通入。操作时能产生相应直径为2.5毫米的等离子体射流17。该装置的电极3顶端部分暴露于外部空间中，并与等离子体射流17直接接触，产生的等离子体射流17长度短、温度较高，距离电极3尖端1.5毫米和2.5毫米处的等离子体射流17温度分别为90摄氏度和50摄氏度。

(3)微波非热平衡等离子体射流装置

由于磁电管微波发生器产生等离子体装置结构程序复杂，产生的等离子体射流温度高，长度短，具体应用范围相对较窄，不详细介绍。

(4)脉冲直流非热平衡等离子体射流装置

采用脉冲直流电源进行介质阻挡放电产生等离子体是最近比较热门的研究方向。Xinpei Lu etal.“Dynamics of an atmopheric pressure plasmagenerated by submicrosecond voltage pulses”J Appl.Phys 100.063302(2006)中，描述了一种等离子体笔装置，如图4所示，该装置包括电极3、接地电极4、介质容器6、介质圆片9、介质圆环10、电源1。电极3和接地电极4均为相同尺寸的金属圆环，分别粘贴于两块介质圆片9上，之间隔有介质圆环10，并一起位于介质容器6前端。工作气体5为氦气，电源1为脉冲直流电源。操作时能产生5厘米长的等离子体射流17，等离子体射流17温度接近室温。该装置不足之处在于一定条件下，比如电压脉宽高于10us时电极3和接地电极4间可能发生电弧放电。

如上所述，现有装置都各自存在类似的不足。类似的缺陷也同样存在于最近的一些等离子体射流产生方法、装置和***的专利发明中，例如美国专利号为5369336“Plasma Generating Device”Hideomi Koinuma etal，专利号6,262,523“Large area atmospheric-Pressure Plasma Jet”by Gary S.Selwyn et al，和专利号7271363“Portanle microwave plasma systemsincluding a supply line for gas and microwaves”by Lee et al.这些因素都大大的限制了现有等离子体射流技术及装置的广泛应用。

发明内容

本发明提供一种等离子体接力装置，解决现有等离子体发生装置强度、温度调节范围过窄，工作气体单一的问题；产生强度、温度均可变化的富含活性成份的等离子体射流，特别是常压下产生接近室温的等离子体射流，同时人体可以与之安全的相接触，并适用于多种气体放电。

本发明的一种等离子体接力装置，包括等离子体射流源，等离子体射流源又包括电源、工作气体源和电极；其特征在于：

所述等离子体射流源的等离子体喷出口处安装有1个或多个管状介质容器，装有1个管状介质容器时，介质容器的一端为气体输入口，与等离子体射流源的工作气体源或者第二工作气体源相连通；等离子体射流源喷出的等离子体射流与介质容器表面接触；介质容器另一端为等离子体喷出口；

装有多个管状介质容器时，各介质容器的一端为气体输入口，另一端为等离子体喷出口；各介质容器的气体输入口与等离子体射流源的工作气体源或者多个单独工作气体源相连通；等离子体射流源喷出的等离子体射流与第一个介质容器表面接触；各介质容器等离子体喷出口喷出的等离子体射流与下一个介质容器表面接触，最后一个介质容器等离子体喷出口输出工作等离子体射流。

所述的等离子体接力装置，介质容器的等离子体喷出口处可以套有或者嵌入喷嘴。

所述的等离子体接力装置，等离子体喷出口或喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形中的一种。

本发明中的等离子体射流源可以为现有的任意等离子体射流装置，包括如背景技术所述的现有四类等离子体射流装置。当等离子体射流装置的驱动电源为成本较低的交流电源或射流电源时，由于产生的等离子体射流强度和温度或者较高，或者电极位置不安全，限制了其应用范围。通过本发明选择一定数量以及排列方式的介质容器对等离子体射流进行“接力”，来改变射流的强度和温度，使最后产生的射流强度和温度符合实际应用要求，特别是在常压下产生接近室温的等离子体射流，人体可以与之安全的相接触。同时介质容器中可以通入不同的工作气体，可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物等，有利于增加最后“接力”产生的等离子体射流中活性成份的种类和数量。本发明易制作、好维护、使用方便、成本低、便携性好，可应用于多种实际应用，比如刻蚀、沉积、表面处理、表面清洗、净化、食物处理、牙齿清洗以及根管治疗等。根据不同的具体应用，选择不同数量的介质容器以及排列方式，“接力”产生的等离子体射流温度可以改变，可以低于室温、接近室温或高于室温。同时采用径向截面形状以及尺寸不同的介质容器或喷嘴，喷射出来的等离子体射流可以具有多种形状，其中含有的活性物质成份的种类及数量也可以根据具体应用进行选择，并可以实现常温常压下大规模大面积的具体应用。本发明产生的等离子体喷流属于非平衡低温等离子体，其拓宽了等离子体的应用范围，提高了其应用效果。

附图说明

图1为现有一种交流非热平衡等离子体射流装置示意图；

图2为现有另一种交流非热平衡等离子体射流装置示意图；

图3为现有射频等离子体针示意图；

图4为现有脉冲直流等离子体笔示意图；

图5为本发明第一个实施例结构示意图；

图6为本发明第二个实施例结构示意图；

图7(a)、图7(b)为图6实施例中可采用的喷嘴的截面图；

具体实施方式

以下根据附图对本发明进行详细说明。

图5所示为本发明的第一个实施例，包括等离子体射流源，等离子体射流源又包括电源1、工作气体源2、气体调控开关8、控制开关12和包括电极的发生器13；发生器13上有气体输入口和等离子体喷出口，通过控制开关12与电源1连接。距离发生器13的等离子体喷口5厘米处垂直安装有介质容器6，由固定架11固定，介质容器6由石英玻璃制成，呈圆锥形空心管状，其上有气体输入口和等离子体喷出口。电源1为交流电源，施加电压为6千伏，频率4千赫兹，通过气体调控开关8控制工作气体5(氩气)分别以5升/每分钟和2升/每分钟通入发生器13的气体输入口和介质容器6的气体输入口。发生器13产生的等离子体射流17与介质容器6表面相接触，并在介质容器6表面积累电荷，使介质容器6中的电场强快速加强，并发生气体放电产生工作等离子体射流20。

图6为本发明第二个实施例结构示意，包括等离子体射流源，等离子体射流源又包括电源1、工作气体源2、气体调控开关8、控制开关12和包括电极的发生器13；发生器13上有气体输入口和等离子体喷出口，通过控制开关12与电源1连接。距离发生器13的等离子体喷口6厘米处垂直安装有介质容器6，第二介质容器14以60度角度斜交叉安装于距离介质容器6的等离子体喷口4厘米处，距离第二介质容器14的等离子体喷口3厘米处以60度角度斜交叉安装有第三介质容器15。介质容器6、第二介质容器14和第三介质容器15均由氧化铝陶瓷材料制成，呈空心管状，一端具有气体输入口，另一端具有等离子体喷出口，并均由固定架11固定。第三介质容器15的等离子体喷出口上套接有喷嘴16，喷嘴16呈空心圆管状，具有与第三介质容器15等离子体喷出口相拟合连接的接口。发生器13和介质容器6的气体输入口均通过气体调控开关8与工作气体源2相连，工作气体源2中的工作气体5为空气，流量分别为10升/每分钟和5升/每分钟；第二介质容器14的气体输入口通过气体调控开关8与第二工作气体源21相连，第二工作气体源21中的第二工作气体23为氩气，流量为5升/每分钟；第三介质容器15的气体输入口通过气体调控开关8与第三工作气体源22相连，第三工作气体源22中的第三工作气体24为氦气，流量为3升/每分钟。电源1为脉冲直流电源，施加电压为8千伏，频率为10千赫兹，脉宽为1微秒。发生器13产生的等离子体射流17与介质容器6表面相接触，产生第一等离子体射流18，从介质容器6的等离子体喷出口喷出；第一等离子体射流18与第二介质容器14表面相接触，产生第二等离子体射流19，从第二介质容器14的等离子体喷出口喷出；第二等离子体射流19与第三介质容器15表面相接触，最后产生工作等离子体射流20，由喷嘴16喷出。其中最后产生的工作等离子体射流20温度接近于室温，人体的手可以与之安全接触。

图7(a)、图7(b)分别为径向截面是圆形和跑道形(扁圆形)的喷嘴的截面图，适用于产生棒状或片状等离子体射流，可为图6所示的实施例中采用。

以上实施例中：等离子体射流源还可以为现有的任意等离子体射流装置，包括如背景技术所述的现有四类等离子体射流装置。

当电源1为交流电源时，施加交流电压幅值范围可以为1千伏～60千伏，频率100赫兹～13.65兆赫兹；电源1为脉冲直流电源时，施加脉冲直流电压幅值范围可以为1千伏～50千伏，频率100赫兹～100兆赫兹，脉宽大于或等于1纳秒。

介质容器还可以是派克拉斯玻璃、塑料等绝缘介质，形状及尺寸根据实际需要确定。介质容器的等离子体喷出口可以与喷嘴16套接，等离子体喷出口和喷嘴16的径向截面形状可以是圆孔形、跑道形、圆锥孔形、喇叭孔形、圆弧孔形、扁形圆或组合图形。等离子体射流源的等离子体喷出口处安装的介质容器的数量以及排列方式均可根据具体实际应用选择。

Claims (4)

1.一种等离子体接力装置，包括等离子体射流源，等离子体射流源又包括电源、工作气体源和电极；其特征在于：

所述等离子体射流源的等离子体喷出口处安装有1个或多个管状介质容器，装有1个管状介质容器时，介质容器的一端为气体输入口，与等离子体射流源的工作气体源或者第二工作气体源相连通；等离子体射流源喷出的等离子体射流与介质容器表面接触；介质容器另一端为等离子体喷出口；

装有多个管状介质容器时，各介质容器的一端为气体输入口，另一端为等离子体喷出口；各介质容器的气体输入口与等离子体射流源的工作气体源或者多个单独工作气体源相连通；等离子体射流源喷出的等离子体射流与第一个介质容器表面接触；各介质容器等离子体喷出口喷出的等离子体射流与下一个介质容器表面接触，最后一个介质容器等离子体喷出口输出工作等离子体射流。

2.如权利要求1所述的等离子体接力装置，介质容器的等离子体喷出口处套有或者嵌入喷嘴。

3.如权利要求1所述的等离子体接力装置，等离子体喷出口的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形或多边形中的一种。

4.如权利要求2所述的等离子体接力装置，所述喷嘴的径向截面形状为圆形、椭圆形、跑道形或多边形中的一种。

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