CN107333376A - 一种大气压极微等离子体射流产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大气压极微等离子体射流产生装置，包括电源、工作气体源、电极、介质容器、气体调控开关和介质管，其中，介质容器呈空心管状，其在不同位置分别设有气体输入口和气体输出口；所述电极设于介质容器上，且电极直接与电源连接；所述工作气体源与介质容器的气体输入口之间设有气体调控开关，用于控制工作气体源的工作气体从介质容器的气体输入口进入介质容器中；所述介质管的一端与介质容器的气体输出口连接，另一端设有气体输出口。此种装置可解决现有等离子体射流装置存在的高长径比极微等离子体的难以产生与控制的问题。

Description

一种大气压极微等离子体射流产生装置

技术领域

本发明属于气体放电与放电等离子体领域，具体涉及一种用通道内径固定的介质管约束的大气压下直径小于10μm的等离子体射流(简写为极微等离子体射流)的产生装置。

背景技术

大气压低温等离子体射流是一种气体放电新形式，它一般由频率为千赫兹的交流或脉冲电源驱动，先在介质管内产生等离子体，然后沿着工作气体通道喷射至开放空间内。相比于传统的大气压低温等离子体放电形式(如介质阻挡放电)，等离子体射流是等离子体产生在开放空间内，而不是狭窄的放电间隙内(mm～cm量级)。它的直径通常为mm量级，而长度可达到数10cm。不仅能够精准的对三维不规则物体进行处理，还能将短寿命的活性粒子输送至物体表面，提高处理效率。此外，它还具有气体温度低、高化学活性、高稳定性和环境友好的特点，特别适合于热敏感的材料处理和生物医学应用。

对一些特殊应用来讲，要求等离子体射流的直径为μm量级。等离子体射流应用于杀菌灭毒是等离子体医学领域的一个重要应用方向，而多数细菌为原核细胞，所以对单个细菌进行精准处理时，要求等离子体射流的直径<10μm。另外，在等离子体材料处理领域，采用超细微的等离子体射流对基底表面进行微图形化时，等离子体射流的直径越小，则微图形的分辨率就越高，有利于加工出更加精细的微图案。将等离子体射流的直径减小到10μm以下，不仅可以对单个原核细胞进行精准处理，而且有利于基底材料表面的微图形化。

在现有的产生极微等离子体的放电结构中，通常采用类似于膜片钳的变径管状介质容器将等离子体约束住。将高压电极内置在介质容器内，离管口有一定的距离。同时施加高电压和通入工作气体后，能够在管口外产生数mm长的极微等离子体射流。以下是几种现有的极微等离子体射流装置：

(1)直径为毫米量级的等离子体射流装置，见专利号为ZL200910010111X“预电离大气压低温等离子体射流发生器”任春生等，描述了一种预电离等离子体射流装置，如图1所示，该装置的主体部分是一根下端开放的毫米量级主石英管105，规格为长120mm，内径5.0mm，外径7.0mm，在石英管开口端上部15-25mm处有一变径，在20mm处变为最细，内径3.0mm，外径4.0mm；另一端封闭并在内部安装一细的石英管104，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103，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0.08-0.13m³/h之间变化。在距主石英管开口端上方20mm变径处缠绕一金属环106，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，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、O₂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。该装置不足之处在于产生的等离子体射流直径为毫米量级，无法实现要求等离子体射流直径为μm量级的特殊应用，如肿瘤治疗的机理研究、石墨烯表面局部掺氮、薄膜微图形刻蚀、细胞微图形化等方面的应用。

(2)变介质容器管径单电极极微等离子体射流装置，见文献1(RyotaKakeietal.“Production of ultrafine atmospheric pressure plasma jet with nano-capillary”Thin Solid Films 518.13(2010))，其中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，该装置如图2所示，包括电极1b、介质容器2b和电源3b。电极1b为铜箔，粘贴在介质容器2b的顶端，距离介质容器2b的尖端6cm远；电源1b为脉冲电源，连接电极1b；介质容器2b为毛细管，管内径为0.6毫米，管壁厚0.2毫米，介质容器2b为子弹状，前端变半径，顶端有漏孔，管口直径为100nm～5μm；工作时，电源1b调至高压正负10千伏，占空比50％，频率5千赫兹，向介质容器2b输入工作气体4b(氦气)，在介质容器2b中产生的等离子体，从管口喷射出极微等离子体射流5b。将该装置应用于抗蚀膜的微图形刻蚀中，同时相比于喷口直径为1mm的氦气等离子体射流，极微等离子体射流的推进速度降低了一个数量级。该装置的不足之处在于介质容器管径变化，极微等离子体射流的直径是非恒定的，可能导致刻蚀条纹尺寸不一致，难以控制，且产生的极微等离子体长径比小可能会带来放电不稳定，放电效果不均匀的问题。

(3)变介质容器管径双电极极微等离子体射流装置，见文献2(MotrescuI etal.“Micro-patterning of Functional Groups onto Polymer Surface Using CapillaryAtmospheric Pressure Plasma”.Journal of Photopolymer Science&Technology 25.4(2012))，其中描述了一种直径为1μm的极微等离子体射流装置，该装置如图3所示，包括电极1c、电极2c、介质容器3c和电源4c。电极1c为铜箔，粘贴在介质容器3c的顶端，同时接地；电极2c为铜箔，粘贴在介质容器3c上，与电极1c距离1cm，距离介质容器3c的尖端6cm远；电源4c为脉冲电源，连接电极2c；介质容器3c为毛细管，管内径为0.6毫米，管壁厚0.2毫米，介质容器3c为子弹状，前端变半径，顶端有漏孔，管口直径为1μm；工作时，电源4c调至高压正负13千伏，占空比50％，频率5千赫兹，向介质容器3c输入工作气体5c(氦气)，流量为500升/分钟。在实际处理的阶段，为了确保氨基功能团自由基，在工作气体5c中加入了3％的氨。在介质容器3c中产生的等离子体，从管口喷射出直径为1μm的极微等离子体射流6c。并且利用该极微等离子体射流装置可以在光阻膜表面上形成直径为20μm、间距为300μm的氨基酸功能团点阵列。该装置为双电极结构，喷射出的极微等离子体射流形成的图案更均匀和紧凑，但是由于介质容器管径变化，导致极微等离子体射流的直径是非恒定的，可能导致放电不稳定，形成的图案尺寸远大于等离子体射流最小直径，不便于控制，且产生的极微等离子体长径比小可能会带来放电不稳定，放电效果不均匀的问题。

如上所述，现有文献研究虽然产生了微尺度的等离子体射流，但都存在类似的不足，如用类似于膜片钳的变径管状介质容器约束等离子体产生极微等离子体射流的装置中出现的射流直径非恒定、在管口附近的变化梯度较大，可能导致放电不稳定，并且工作气体通过管口后易形成湍流，与周围空气混合程度更高，产生的等离子体射流长径比小可能会带来放电不稳定，放电效果不均匀，这些因素大大的限制了现有极微等离子体射流技术及装置的广泛研究和应用。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种大气压极微等离子体射流产生装置，其可解决现有等离子体射流装置存在的高长径比极微等离子体的难以产生与控制的问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种大气压极微等离子体射流产生装置，包括电源、工作气体源、电极、介质容器、气体调控开关和介质管，其中，介质容器呈空心管状，其在不同位置分别设有气体输入口和气体输出口；所述电极设于介质容器上，且电极直接与电源连接；所述工作气体源与介质容器的气体输入口之间设有气体调控开关，用于控制工作气体源的工作气体从介质容器的气体输入口进入介质容器中；所述介质管的一端与介质容器的气体输出口连接，另一端设有气体输出口。

上述电极采用单个或多个棒状或片状导体。

上述电极使用铜、铝或不锈钢制作。

上述电极套接在介质容器上，或嵌接于介质容器内。

上述工作气体源的工作气体为氦气、氩气或氮气。

上述电源为脉冲电源、直流电源或交流电源。

上述介质容器由石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷制作。

上述介质管为空心管状，其具有至少一条通道，且对于每一条通道而言，其所有位置的径向截面的形状和大小均相同。

上述通道的径向截面为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形，且各通道的内径小于10μm。

采用上述方案后，本发明可解决现有极微等离子体射流装置存在的高长径比极微等离子体的难以产生与控制的问题，当电极达到放电间隙处的工作气体的击穿电压时，工作气体放电，产生低温等离子体，经过介质容器的约束喷射至周围环境中，即产生极微等离子体射流。本发明结构简单、操作方便、成本低廉，等离子体射流直径低至10μm。该等离子体射流的长径比和电子密度比常规毫米级等离子体射流高出2-4数量级。通过调整管径、工作气体和电源参数，可以实现对等离子体射流直径的调控。同时该等离子体射流有多种实际应用，比如用于肿瘤治疗的机理研究、石墨烯表面局部掺氮、薄膜微图形刻蚀、细胞微图形化等方面。

本发明工作时，通道内径固定的介质管可以对等离子体射流进行约束，选择不同内径和不同长度的介质管，施加不同值的电压，电极前端空间场强以及放电电流可以不同，产生的极微等离子体射流长度可变，极微等离子体射流的径向截面可大可小。本发明产生的极微等离子体射流直径小，有很高的纵横比和电子密度，而且工作气体经过管口位置时不易形成湍流，有利于控制气体组分。且结构简单、好维护、使用方便、成本低、操作方便，具有多种实际应用，比如用于肿瘤治疗的机理研究、石墨烯表面局部掺氮、薄膜微图形刻蚀、细胞微图形化等方面。根据不同的具体应用，选择不同内径的介质管，以及工作气体，调节高压电源的电压，产生的极微等离子体射流直径、长度、纵横比、电子密度可以改变；同时等离子体中含有的活性成分的种类和数量可以根据不同的应用进行选择。

附图说明

图1是直径为毫米量级的等离子体射流装置示意图；

图2是现有变介质容器管径单电极极微等离子体射流装置示意图；

图3是现有变介质容器管径双电极极微等离子体射流装置示意图；

图4是本发明第一实施例结构示意图；

图5是本发明第二实施例结构示意图；

图6是本发明第三实施例结构示意图；

图7(a)、图7(b)分别是第一、第二实施例中均可采用的介质容器的径向截面图和侧视图；

图8(a)、图8(b)分别是第一实施例中介质管的径向截面图和侧视图；

图9(a)、图9(b)分别是第二实施例中介质管的径向截面图和侧视图；

图10(a)、图10(b)分别是第三实施例中的介质容器5f的径向截面图和侧视图；

图11(a)、图11(b)分别是第三实施例中的介质容器6f的径向截面图和侧视图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种大气压极微等离子体射流产生装置，包括电源、工作气体源、电极、介质容器和气体调控开关，其中，介质容器呈空心管状，其在不同位置分别设有气体输入口和气体输出口；所述电极设于介质容器内，且电极直接与电源连接；所述工作气体源与介质容器的气体输入口之间设有气体调控开关，用于控制工作气体源的工作气体从介质容器的气体输入口进入介质容器中；其中，所述电极可采用单个或多个棒状或片状导体，使用铜、铝、不锈钢或其它导电材料制作，电极可套接在介质容器上，也可嵌接于介质容器内；所述的工作气体为氦气、氩气、氮气等单质气体；所述的电源可以为脉冲电源、直流电源或交流电源。

如图4所示，是本发明的第一实施例示意图，包括电源1d、电极2d、工作气体源3d、介质容器5d和介质管9d，由不锈钢制成的电极2d嵌接于介质容器5d中，直接与电源1d相连；介质容器5d呈空心管状，其上端设有气体输入口7d，右端设置气体输出口11d，所述气体输出口11d与介质管9d用胶相连；介质管9d呈空心圆管状，左端有气体输入口11d，右端有气体输出口10d。通过气体调控开关4d从气体输入口7d将工作气体源3d的工作气体6d输入介质容器5d中，在介质管9d中产生极微等离子体射流8d，其形状为细长的针形。

调节气体调控开关4d，工作气体6d(氩气)从工作气体源3d以3.6×10^-4毫升/分钟流量通入介质容器5d，介质容器5d的内径为150μm，介质管9d的内径为6μm，介质管9d的左端和电极2d尖端的距离大约是1mm。电源1d为交流电源，电压峰峰值为42千伏，频率为10.5千赫兹。通入工作气体6d后，由于电极2d的尖端场强很高，会发生气体放电，经过介质管9d的约束，产生半径3μm，长度大约2.7cm的稳定的极微等离子体射流8d。

图5是本发明的第二实施例结构示意图，包括电源1e、电极2e、工作气体源3e、介质容器5e和介质管6e，由不锈钢制成的电极2e与电源1e直接相连。介质容器5e呈空心管状，其上端有气体输入口7e，右端有气体输出口11e与介质管6e用胶相连。介质管6e呈空心圆管状，左端有气体输入口12e，右端有气体输出口13e，径向截面上设有气孔10e、气孔14e(可参考图9所示)。通过气体调控开关4e从气体输入口7e将工作气体源3e的工作气体8e输入介质容器5e中，在介质管6e中产生极微等离子体射流9e，其形状为细长的针形。

调节气体调控开关4e，工作气体8e(氩气)从工作气体源3e通入介质容器5e，介质容器5e的气体输入口7e处的气压固定为2个大气压。介质容器5e内径为150μm。介质管6e长度为5cm左右，径向截面上有气孔10e、气孔14e，两气孔的直径为3.4μm，介质管6e的左端和电极2e尖端的距离大约是1mm。电源1e为交流电源，电压峰峰值为30千伏，频率为10.5千赫兹。通入工作气体8e后，由于电极2e的尖端场强很高，会发生气体放电，经过介质管6e的约束，在介质管6e的气孔10e中产生直径3.4μm，长度大约2cm的极微等离子体射流9e。

图6是本发明第三实施例的结构示意图，包括电源1f、电极2f、工作气体源3f、工作气体源14f、介质容器5f和介质容器6f，其中，由不锈钢制成的电极2f嵌接于介质容器5f中，直接与电源1f相连。介质容器5f与介质容器6f呈空心管状，且中心位于同一轴线，其作用为引导气流。介质容器5f上端有气体输入口7f，下端有气体输出口10f。介质容器6f右端有气体输入口11f，下端有气体输出口12f。通过气体调控开关4f从气体输入口7f将工作气体源3f的工作气体8f输入介质容器5f中，同时通过气体调控开关13f从气体输入口11f将工作气体源14f的工作气体15f输入介质容器6f中，在介质容器5f中产生极微等离子体射流9f，其形状为细长的针形。

调节气体调控开关4f，工作气体8f(以1:49体积比混合的氮气和氦气)从工作气体源3f通入介质容器5f，气体流量为50毫升/分钟，介质容器5f内径为1mm。调节气体调控开关13f，工作气体15f(氮气)从工作气体源14f通入介质容器6f，作为保护气体，气体流量为2000毫升/分钟，介质容器6f内径为5mm。在介质容器5f的末端有一个介质管16f，介质管16f直径固定为2μm。电极2f的尖端和介质管16f的间距是1cm。电源1f为脉冲电源，电压峰值为6千伏，脉冲频率为6千赫兹，脉宽为800ns。通入工作气体8f后，由于电极2f的尖端场强很高，会发生气体放电，经过介质管16f的约束，产生直径为2μm的稳定的极微等离子体射流9f。

图7(a)、图7(b)分别为第一、第二实施例中均可采用的介质容器径向截面图和侧视图。图7(a)为介质容器5d～e为空心管状；图7(b)为介质容器5d～e的上端有一个气体输入口7d～e，右端有气体输出口11d～e。

图8(a)、图8(b)分别为第一实施例中的介质管9d径向截面图和侧视图，介质管9d为空心管状，径向截面为圆形，左端有气体输入口11d，右端有气体输出口10d。

图9(a)、图9(b)分别为第二实施例中的介质管6e径向截面图和侧视图，介质管6e径向截面为圆形，有气孔10e，气孔14e，左端有气体输入口12e，右端有气体输出口13e。

图10(a)、图10(b)分别为第三实施例中的介质容器5f径向截面图和侧视图，介质容器5f为空心管状，径向截面为圆形，下端有介质管16f，上端有气体输入口7f，下端有气体输出口10f。

图11(a)、图11(b)分别为第三实施例中的介质容器6f径向截面图和侧视图，介质容器6f为空心管状，径向截面为圆形，右端有气体输入口11f，下端有气体输出口12f。

在以上实施例中，电极还可以由铜、铝及其他导电材料制成，介质容器材料可以为石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化铝陶瓷等，形状及尺寸根据实际情况而定。介质管具有至少一条通道，对于每一条独立的通道而言，其在所有位置的径向截面的形状和大小均相同，也即该通道的内径在任意位置均大小相同，形状固定，误差范围为±1μm，若介质管具有多条通道，通道之间的径向截面可以不同，在本实施例中，介质管设计为空心管状且直径固定，通过将其设计为单孔或多孔的形式来形成通道，所述单孔、多孔中各孔径向截面可以为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形，且各孔内径<10μm，根据具体实际应用确定。

当电源1为交流电源时，施加交流电压幅值范围可以为220伏到30千伏，频率可在50赫兹到10.5千赫兹之间；电源1为脉冲电源时，施加脉冲电压幅值范围可以为220伏到50千伏，频率50赫兹到100兆赫兹，脉宽大于或等于1纳秒。产生的极微等离子体直径2微米到6微米之间变化，长度大于0.1毫米，具有很高的纵横比和电子密度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：包括电源、工作气体源、电极、介质容器、气体调控开关和介质管，其中，介质容器呈空心管状，其在不同位置分别设有气体输入口和气体输出口；所述电极设于介质容器上，且电极直接与电源连接；所述工作气体源与介质容器的气体输入口之间设有气体调控开关，用于控制工作气体源的工作气体从介质容器的气体输入口进入介质容器中；所述介质管的一端与介质容器的气体输出口连接，另一端设有气体输出口。

2.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述电极采用单个或多个棒状或片状导体。

3.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述电极使用铜、铝或不锈钢制作。

4.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述电极套接在介质容器上，或嵌接于介质容器内。

5.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述工作气体源的工作气体为氦气、氩气或氮气。

6.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述电源为脉冲电源、直流电源或交流电源。

7.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述介质容器由石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷制作。

8.如权利要求1所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述介质管为空心管状，其具有至少一条通道，且对于每一条通道而言，其所有位置的径向截面的形状和大小均相同。

9.如权利要求8所述的一种大气压极微等离子体射流产生装置，其特征在于：所述通道的径向截面为圆形、椭圆形、跑道形、矩形或多边形，且各通道的内径小于10μm。