CN109688688A - 一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置，包括供电模块、放电间距调节器、放电腔体、高压电极、地电极、气流装置及供气模块。放电腔体内具有环境气体。高压电极与地电极彼此正对地设在放电腔体内，其间具有电极间隙，高压电极固定连接至放电间距调节器且与供电模块相连，可通过调节放电间距调节器调整电极间隙。气流装置包含与供气模块相连的工作气体通路和绝缘气体通路，用于向电极间隙平行通入绝缘气体和工作气体，绝缘气体和环境气体的击穿电压比工作气体击穿电压高。本发明移除了传统介质阻挡放电的固体介质，用气体绝缘层替代，避免了固体介质表面电荷累积影响，可应用于等离子体点火助燃和多层气体介质击穿等领域。

Description

一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置

技术领域

本发明属于气体放电与放电等离子体技术领域，特别涉及了一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置。

背景技术

等离子体是物质的第四态，是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种中性集合体。根据电离程度的不同可以分为热平衡等离子体和低温等离子体。

介质阻挡放电(DBD,Dielectric Barrier Discharge)是工业上产生低温等离子体的主要手段。它可以在大气压或高于大气压条件下，方便地产生大面积的低温等离子体，不需要真空设备就能在较低的温度下，获得化学反应所需的活性粒子，在近百年的研究中，DBD被广泛应用于材料的表面处理、臭氧合成、紫外光源、环境保护等领域。DBD基本的电极结构是在两个金属电极之间的放电间隙上***一个或者多个绝缘介质层。DBD中通常采用固体绝缘介质材料，如玻璃、有机薄膜、陶瓷等，绝缘介质层主要起到防止放电电流增长过快，阻止发生弧光甚至火花放电的作用。

气体介质阻挡放电(GBD，Gas-confined Barrier Discharge)是以气体作为绝缘介质，将放电气体与电极隔离开的一种放电形式。实质上就是以气体介质代替传统的固体绝缘介质，属于一种特殊的DBD结构，研究发现GBD既可以产生均匀的等离子体，也可以发生自组织放电现象。由于以绝缘气体材料代替固体介质，二次电子不是由残余的表面电荷提供，而是主要来源于彭宁电离以及真空紫外辐射产生的种子电子。目前，国内对该结构研究较少，该结构主要被应用于超音速飞机中燃料的点火助燃机理研究。

以下是几种典型的介质阻挡放电装置：

(1)放电间隙可调的封闭式介质阻挡放电平板反应器，见中国专利申请1(申请公布号CN206024218U)，此专利申请公开了一种间隙可调的平板DBD装置，如图1所示，调节螺丝101、螺母102、通孔玻璃板103、硅胶O型圈104、高压电极105、石英反应器106、接地电极107、等离子体区108、石英支管109。该装置中高压电极和螺丝为一体式结构，将高压电极置于反应器内部，通过调节硅胶O型圈厚度及螺母松紧，可实现封闭介质阻挡平板反应器放电间隙的调节；采用该装置结构简单，制造成本低，还可进行材料制备和有机废气处理。该装置采用固体介质材料，虽然能够实现放电间隙的连续调节，但是没有具体的刻度指示，读数困难，并且间隙的调节范围最大不能超过石英支管的直径，对于废气处理来说，装置体积太小，处理效率不高，不适用于气体介质阻挡放电。

(2)一种板-板式介质阻挡放电等离子体装置，见中国专利2(授权公告号CN205681688U)，本专利公开了一种板-板式介质阻挡放电等离子体装置，如图2所示，包括高压电极201、接地电极202，高压电极201和接地电极202之间设有平板式等离子体反应器205，接地电极202连接下不锈钢板207；高压电极201连接上不锈钢板206；下不锈钢板207上设有至少2根不锈钢柱208；不锈钢柱208在接地电极202周围均匀分布；不锈钢柱208穿过上不锈钢板206；下不锈钢板207上设有带螺纹的不锈钢柱210；带螺纹的不锈钢柱210穿过上不锈钢板206；上不锈钢板206设有与带螺纹的不锈钢柱210相匹配的螺纹；带螺纹的不锈钢柱210顶部设有手摇轮211；通过手摇轮211调节电极间距；下不锈钢板207上固定设有刻度尺Ⅰ；上不锈钢板206上固定设有刻度尺Ⅱ；刻度尺Ⅰ带有刻度的一侧与刻度尺Ⅱ带有刻度的一侧接触。刻度尺Ⅰ与刻度尺Ⅱ形成游标卡尺，通过读取其示数获得准确的放电间距。该实验装置采用自制游标卡尺，可对放电间距进行精确调节；不锈钢框架和散热器可避免装置变形、利于散热、防止腐蚀。该装置上下调节采用的是螺纹控制的滑动结构，容易导致两电极不平行的问题。装置采用固体介质材料，整体设计较为复杂，成本高，重量较重，移动困难，整体为开放结构，不能设置不同的环境气体以考察对于放电的影响。

(3)大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，见中国专利3(授权公告号CN102946685A)，此专利公开了一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，如图3所示，主体结构310包括一个放电单元320和一个窄缝腔体315。其中放电单元320包括两个正对的平板电极，即一个高压电极311和另一个接地电极312，两平板电极的长宽可根据要求设计；还包括一个绝缘介质层313，覆盖在电极311的下表面。被处理样品314置于电极312的上表面。窄缝腔体315有两个端口，一个进气口316，一个出气口317。当电极两端电压足够高时，放电空间318的空气，以及少量的诱导气体将被击穿，发生稳定的等离子体气体放电。大气压下产生的均匀等离子体覆盖放电空间正对样品314的表面，并与其充分接触，且富含亚稳态氮分子、羟基和氧原子等活性粒子，无需真空设备，功率密度小，成本低廉。该装置采用固体介质材料，其不足之处在于平板电极由于边缘效应会导致电场分布不均，电极距离不可调，层状诱导气流装置制作较为困难并且大面积的层状气流会带来气体摩尔浓度分布不均的问题，该装置只适用于固体介质阻挡放电。

(4)多层介质阻挡放电低温等离子体产生装置，见中国专利4(授权公告号CN204014246U)，此专利公开了一种多层DBD装置，如图4所示，等离子体反应器402的反应室设置有进气口425和排气口426以及观察窗424。排气口用于对反应室排除不需要的气体；进气口425用于通入反应气体，其通过进气管路与气瓶403相连，进气管路上还设置有流量计404用以改变气体流速。反应器内设有2个金属电极421，之间设置有至少3层介质板422，相邻介质板之间使用垫片423隔开，形成气隙。电阻分压器405的输入端连接在功率源401的高压输出端和金属电极B之间，用于测量反应室上电压；金属电极A通过取样电阻406接地，用于测量回路电流。由于介质板两侧均可以处理薄膜材料，所以提高单次处理的效率，且能获得大面积大体积的低温等离子体，对薄膜、介质以及电极都无损伤。但是该装置采用固体介质材料，对于气体绝缘的放电不适用，气体间隙距离不能连续调节，对于电源功率要求较高。

上述背景技术中，低温等离子体装置都采用固体材料充当介质，存在复杂的表面电荷干扰；装置大多为开放环境，无法设置环境气体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

本发明旨在提供一种新型的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，避免了固体介质表面电荷累积影响，可应用于等离子体点火助燃和多层气体介质击穿等领域。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其包括供电模块、放电间距调节器、放电腔体、高压电极、地电极、气流装置及供气模块，

其中，所述放电腔体封闭，设有进气口、出气口，用来设置放电时的环境气体；

所述供电模块用于供应高压电，其电连接至放电间距调节器；放电间距调节器穿过放电腔体的腔壁伸入放电腔体内部，与设在放电腔体内的高压电极电连接且固定连接，地电极固定设在放电腔体内且接地，高压电极与地电极彼此正对且具有间隙，在放电间距调节器的调节下，高压电极在放电腔体内移动，从而改变高压电极与地电极之间的间隙；

气流装置穿过放电腔体的腔壁伸入放电腔体内部，气流装置包含沿平行于电极表面的轴线延伸的工作气体通路，所述工作气体通路的一端靠近电极间隙并且开放以作为气体出口，另一端设有与供气模块连接的气体入口，工作气体通路的气体出口在电极间隙宽度方向上与高压电极间隔开；

供气模块包括存储工作气体的工作气体存储器，将所述工作气体存储器连接至所述工作气体通路的气体入口的气体导管以及与气体导管相应的流量控制器，其中，所述流量控制器控制工作气体的输出流量，使得工作气体在高压电极与地电极之间的间隙中流动且不接触高压电极；

其中，环境气体的击穿电压比工作气体击穿电压高。

优选地，气流装置还包括与工作气体通路相邻分层排列且沿平行于电极表面的轴线延伸的一个以上绝缘气体通路，绝缘气体通路的一端靠近电极间隙并且开放以作为气体出口，另一端设有与供气模块连接的气体入口，绝缘气体通路的气体出口在电极间隙宽度方向上介于工作气体通路的气体出口与高压电极之间，绝缘气体通路的气体出口在电极宽度方向上的尺寸不小于工作气体通路的气体出口在电极宽度方向上的尺寸，工作气体通路和绝缘气体通路的气体出口在电极间隙宽度方向上的总最大尺寸不小于高压电极与地电极的最大间隙；且

供气模块还包括存储绝缘气体的绝缘气体存储器，将所述绝缘气体存储器连接至所述绝缘气体通路的气体入口的气体导管以及与气体导管相应的流量控制器，其中，所述流量控制器控制绝缘气体的输出流量，使得绝缘气体在高压电极与地电极之间的间隙中与工作气体平行分层流动，

其中，绝缘气体的击穿电压比工作气体击穿电压高。

优选地，该放电腔体由透明绝缘材料制成。

优选地，所述放电间距调节器是游标卡尺或螺旋测微器。

优选地，所述供电模块包括高压电源和限流电阻，高压电源经限流电阻连接至放电间距调节器，所述限流电阻的阻值R的范围是0<R≤10兆欧姆。

优选地，所述高压电极和地电极为板状或棒状，材质为铜、铝或不锈钢。

优选地，在气流装置中，所述绝缘气体通路为一个，所述工作气体通路套设于该绝缘气体通路中，且绝缘气体通路和工作气体通路的横截面为圆形或矩形。

优选地，在气流装置中，所述绝缘气体通路为两个，和工作气体通路在电极间隙宽度方向上按绝缘气体通路、工作气体通路、绝缘气体通路的顺序彼此相邻排列，且气体通路横截面为矩形。

优选地，所述工作气体、环境气体和绝缘气体为单质气体、气态化合物或混合气体。

优选地，所述高压电源为高压交流电源、高压脉冲电源或高压射频电源。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明基于气体绝缘的阻挡放电，产生稳定性高、温度较低、能耗小、无表面电荷干扰的等离子体。本发明的特点如下：

(1)本发明相对于传统固体介质阻挡放电，以绝缘气体充当介质材料，可以在大气压下得到均匀的等离子体，排除了复杂的表面电荷的干扰，简化了实验变量，同时节约了实验成本。

(2)本发明不仅可以将均匀放电约束在工作气体层，还可以获得工作气体层与绝缘气体层(多层介质)放电。

(3)本发明由于腔体封闭，因而可以实现不同气体环境下的气体绝缘的介质阻挡放电。由于采用了透明腔体，无需采用观察窗；

(4)本发明采用放电间距调节器充当调节装置，能实现连续调节，精度较高且易于读数；

(5)本发明采用的气流装置既能实现气体分层的目的，确保工作气体与高压电极不接触，由于截面积小，又使得摩尔浓度分布相对均匀，并且该气体装置结构简单。

附图说明

图1是背景技术中中国专利申请1设计的结构示意图；

图2是背景技术中中国专利2设计的结构示意图；

图3是背景技术中中国专利3设计的结构示意图；

图4是背景技术中中国专利4设计的结构示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图6是本发明实施例的气流装置和供气模块的示意图；

图7是本发明实施例的气流装置的气体出口的正视图；

图8是本发明另一实施例的气流装置的气体出口的正视图；

图9是本发明又一实施例的气流装置的气体出口的正视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图5所示，一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置，包括高压电源1、限流电阻2，放电间距调节器3、放电腔体4、高压电极5、地电极6、气流装置8及供气模块。腔体内部设置有高压电极5以及地电极6，所述高压电极5与放电间距调节器3经限流电阻2与电源输出端相连，通过调节放电间距调节器3调整电极间隙。本发明移除了传统介质阻挡放电的固体介质，用气体绝缘层替代。气体绝缘层由气流装置8引导和调控。所述气流装置8通过腔体侧面上的开孔伸入腔体内部，沿电极表面平行通入绝缘气体和工作气体。其中，绝缘气体的击穿电压比工作气体击穿电压高，起到绝缘作用。

基于上述技术方案的优选方案，所述装置包括放电腔体，该放电腔体上设有进气口、出气口，用来设置放电时的环境气体20。且该腔体由透明绝缘材料(如有机玻璃、树脂、AS塑料)制成，高压电极和地电极均置于该特定腔体中，以保证放电在环境气体中进行。当不设置绝缘气体时，环境气体也可以充当静止的绝缘气体层，环境气体击穿电压高于工作气体。

基于上述技术方案的优选方案，所述放电间距调节器是游标卡尺或螺旋测微器。

基于上述技术方案的优选方案，所述限流电阻的阻值范围是0<R≤10兆欧姆。

基于上述技术方案的优选方案，所述电极为板状或棒状，材质为铜、铝或不锈钢，直径的范围是5～50mm，厚度范围为5～30mm。

基于上述技术方案的优选方案，所述气流装置由两个套管组成，截面为圆形或矩形。两管轴线平行。绝缘气体管通入绝缘气体，工作气体管通入工作气体。气流装置长度为30～300mm，材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷，通过腔体侧面上的开孔伸入腔体内部，水平放置于靠近电极位置处，所述气流装置与电极的距离范围为3～30mm。其中绝缘气体管直径略大于电极最大间隙宽度，保证气体充满整个电极间隙。

基于上述技术方案的优选方案，所述气流装置中工作气体和绝缘气体为单质气体、气态化合物或其他气体的混合气体，绝缘气体击穿电压高于工作气体。

基于上述技术方案的优选方案，供气模块主要由气体存储器、流量控制器和气体导管组成，所述气体导管的一端套设在气管气体入口上，气体导管的另一端经流量控制器与气体存储器相连，气体存储器内分别存储工作气体和绝缘气体，通过流量控制器调节气体的输出流量，确保气流在放电间隙区域为层流状态。

基于上述技术方案的优选方案，所述高压电源为高压交流电源、高压脉冲电源或高压射频电源。

实例1：

一种放电间距可调的板-板式气体介质阻挡放电等离子体产生装置，包括高压电源1、限流电阻2，放电间距调节器3、放电腔体4、高压电极5、地电极6、气流装置8、进气口9以及出气口12。放电腔体为长方体封闭腔体，腔体内部设置有高压电极5以及地电极6，高压电极5与放电间距调节器3经限流电阻2与高压电源1的输出端相连，地电极6与电源地极共地。通过调节放电间距调节器3调整电极间隙。本实例中气流装置8采用截面为圆形的同轴气流套管。使用时绝缘气体管17通入氩气，工作气体管18通入氦气，放电时氦气以及氩气层都可以产生均匀等离子体7。

在本实例中，放电腔体为100*95*105mm的空心长方体腔体，且由有机玻璃制成，环境气体为空气。高压电极5和地电极6均置于该放电腔体中。

在本实例中，限流电阻2的阻值为100千欧姆；高压交流电源1的输出电压峰峰值为3.8千伏，频率为10千赫兹。

在本实例中，高压电极5以及地电极6为圆板状电极，材质为不锈钢，厚度为10mm，直径为20mm，电极周围打磨光滑，以防止边缘效应。地电极距腔体底板高度39mm，电极初始间隙为6mm，放电间距调节器最大调节范围为12mm，气流装置气体出口与电极的水平距离的范围是4mm。

在本实例中，采用气流装置8提供绝缘气体以及工作气体。其中管壁具有厚度，厚度为1mm，长度为13mm。工作气体管内径3mm，绝缘气体管内径为24mm，绝缘气体管内径需大于电极间隙，保证气体充满电极间隙。气管的材质为石英玻璃。气流装置的气体出口的正视图如图7所示

在本实例中，装置还包括气体存储器14/16、流量控制器13/15，如图6所示，气体导管的一端套设在绝缘气体管17的气体入口上，另一端经流量控制器15与气体存储器16相连，气体存储器16内存储了氩气，另一个气体导管的一端套设在工作气体管18的气体入口上，另一端经流量控制器13与气体存储器14相连，气体存储器14内存储了工作气体氦气。当氦气流量增大时，产生的均匀等离子体不与电极接触且长度也会随之增大，而当氩气流量增大时会产生丝状放电。在本实例中，只有氦气流量范围在7～9L/min，氩气流量2～5.8L/min，电源功率4.8～20.9mW时才能产生分层形式的均匀等离子体。

实例2：

在本实例中，放电装置以及气流装置8与实例1相同，地电极距腔体底板高度35mm，电极初始间隙为10mm，放电间距调节器最大调节范围为12mm。气流装置与电极水平距离为4mm。

在本实例中，气体导管的一端套设在工作气体管18的气体入口上，另一端经流量控制器13与气体存储器14相连，气体存储器14内存储了氦气，控制氦气流量为9L/min。绝缘气体管17不通入气体，以空气作为绝缘气体。

在本实例中，限流电阻2的阻值为100千欧姆；高压交流电源1的输出电压峰峰值为9千伏，频率为10千赫兹，可以产生不与电极接触的均匀等离子体。

气流装置的构型不限于以上所述，工作气体管与绝缘气体管可上下分层排布，其气体出口的示意性正视图如图8和图9所示。

本发明使用方便、成本较低、易于搬运，具有多种实验应用，既可以用作DBD实验，也可以用来进行GBD实验。根据不同的研究方向，可选择不同的工作气体和电极间隙，调节高压电源的电压、频率，产生的等离子体长度、粗细、均可以不同。本发明中的气流装置更加简单，实验效果更加出色。

以上实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 (10)

1.一种气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于，包括供电模块、放电间距调节器、放电腔体、高压电极、地电极、气流装置及供气模块，

其中，所述放电腔体封闭，设有进气口、出气口，用来设置放电时的环境气体；

所述供电模块用于供应高压电，其电连接至放电间距调节器；放电间距调节器穿过放电腔体的腔壁伸入放电腔体内部，与设在放电腔体内的高压电极电连接且固定连接，地电极固定设在放电腔体内且接地，高压电极与地电极彼此正对且具有间隙，在放电间距调节器的调节下，高压电极在放电腔体内移动，从而改变高压电极与地电极之间的间隙；

气流装置穿过放电腔体的腔壁伸入放电腔体内部，气流装置包含沿平行于电极表面的轴线延伸的工作气体通路，所述工作气体通路的一端靠近电极间隙并且开放以作为气体出口，另一端设有与供气模块连接的气体入口，工作气体通路的气体出口在电极间隙宽度方向上与高压电极间隔开；

供气模块包括存储工作气体的工作气体存储器，将所述工作气体存储器连接至所述工作气体通路的气体入口的气体导管以及与气体导管相应的流量控制器，其中，所述流量控制器控制工作气体的输出流量，使得工作气体在高压电极与地电极之间的间隙中流动且不接触高压电极；

其中，环境气体的击穿电压比工作气体击穿电压高。

2.根据权利要求1所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：气流装置还包括与工作气体通路相邻分层排列且沿平行于电极表面的轴线延伸的一个以上绝缘气体通路，绝缘气体通路的一端靠近电极间隙并且开放以作为气体出口，另一端设有与供气模块连接的气体入口，绝缘气体通路的气体出口在电极间隙宽度方向上介于工作气体通路的气体出口与高压电极之间，绝缘气体通路的气体出口在电极宽度方向上的尺寸不小于工作气体通路的气体出口在电极宽度方向上的尺寸，工作气体通路和绝缘气体通路的气体出口在电极间隙宽度方向上的总最大尺寸不小于高压电极与地电极的最大间隙；且

供气模块还包括存储绝缘气体的绝缘气体存储器，将所述绝缘气体存储器连接至所述绝缘气体通路的气体入口的气体导管以及与气体导管相应的流量控制器，其中，所述流量控制器控制绝缘气体的输出流量，使得绝缘气体在高压电极与地电极之间的间隙中与工作气体平行分层流动，

其中，绝缘气体的击穿电压比工作气体击穿电压高。

3.根据权利要求1或2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：该放电腔体由透明绝缘材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：所述放电间距调节器是游标卡尺或螺旋测微器。

5.根据权利要求1或2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：所述供电模块包括高压电源和限流电阻，高压电源经限流电阻连接至放电间距调节器，所述限流电阻的阻值R的范围是0<R≤10兆欧姆。

6.根据权利要求1或2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：所述高压电极和地电极为板状或棒状，材质为铜、铝或不锈钢。

7.根据权利要求2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：在气流装置中，所述绝缘气体通路为一个，所述工作气体通路套设于该绝缘气体通路中，且绝缘气体通路和工作气体通路的横截面为圆形或矩形。

8.根据权利要求2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：在气流装置中，所述绝缘气体通路为两个，和工作气体通路在电极间隙宽度方向上按绝缘气体通路、工作气体通路、绝缘气体通路的顺序彼此相邻排列，且气体通路横截面为矩形。

9.根据权利要求2所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：所述工作气体、环境气体和绝缘气体为单质气体、气态化合物或混合气体。

10.根据权利要求5所述的气体介质阻挡放电等离子体产生装置，其特征在于：所述高压电源为高压交流电源、高压脉冲电源或高压射频电源。