CN111278206B - 一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置 - Google Patents

一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，包括放电管、高压电源、两个介质阻挡电极、微波源、微波腔体组成，所述电管由两个不同外径的放电管组成，用于将介质阻挡放电和微波放电串联在一起。气体通入介质阻挡放电管，在与高压电源相连接的两个相邻电极间形成长度足够到达微波腔体的介质阻挡等离子体射流，其产生的低电离能的激发态粒子到达微波腔体后可以促进微波放电产生微波等离子体，进而形成串联放电。本发明充分利用介质阻挡放电中发生的潘宁和光激发过程，不仅可以降低微波放电中工作气体的击穿功率和等离子体所需的维持功率，还可改善放电动力学，从而最大限度的提高能量利用率。

Description

一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置
技术领域
本发明属于等离子体发生装置领域，特别涉及一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置。
背景技术
介质阻挡放电是一种常见的非平衡等离子体放电，当施加一定的电压时，从阴极逸出的电子被击穿，产生大量空间电荷形成流柱，因此介质阻挡放电的典型放电模式为流柱放电或丝状放电。介质阻挡放电凭借其放电装置易于实现、放电电压和频率范围宽和能量利用率高等特点，被广泛应用于各个领域，例如介质阻挡等离子体在生物医疗、污染物控制与处理以及气体转化等领域的研究。
一般通过同轴电缆或矩形波导由微波源提供给等离子体反应器中的工作气体足够强的能量，就可以使气体击穿产生微波放电。在微波等离子体中，由于电子比中性粒子和离子轻得多使它们更容易加速，所以它们接受了放电的大部分能量输入，最终导致电子温度可以远远高于气体温度。因此，我们不需要加热整个气体，这些高能电子就可以通过碰撞过程使重粒子经历电离、激发和解离过程。微波等离子体应用广泛，主要包括分析仪器、气体转化、半导体生产和金属薄膜及材料的制备与改性等领域。
现有的介质阻挡放电及微波放电技术中，等离子体发生装置结构复杂、操作繁琐，且往往只是将介质阻挡放电作为微波放电的点火器，给整体装置带来的有益效果有限，能耗也非常大，因此，提供一种装置简洁、操作简便，并且能够改善能量利用率的等离子体发生装置，能够改善现有技术的不足。
发明内容
本发明旨在提供一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，采用介质阻挡放电和微波放电串联的方式，装置简洁、操作简便、耗气量小、能耗低。以实现在降低微波放电的击穿功率和维持放电所需功率下，改善放电动力学，从而最大限度的提高能量利用率。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，包括放电管、高压电源、两个相邻的介质阻挡电极Ⅰ及介质阻挡电极Ⅱ、微波源、微波腔体及供气装置；所述的放电管由两个内径相同、外径不同的放电管串联组成，外径小的放电管为介质阻挡放电管，外径大的放电管为微波放电管，其中介质阻挡放电管靠近供气装置的进气口，微波放电管安装在微波腔体中，供气装置产生的气体从介质阻挡放电管流入，从微波放电管流出；介质阻挡电极Ⅰ及介质阻挡电极Ⅱ覆盖在介质阻挡放电管外侧并且与高压电源相连。
进一步地，所述的微波放电管、微波腔体和微波源组成微波放电***，所述的微波放电***还包括安装在微波腔体内用于调节微波耦合的管状结构主调节件、安装在主调节件管腔内用于调节微波耦合的管状结构微调节件和微波天线耦合件，所述主调节件设计有与微波腔体内壁滑动配合的环形塞盘，所述微波天线的耦合件位于主调节件环形塞盘与微波腔体之间的微波放电管上，通过微波天线连接件和接口件与微波源连接。
进一步地，所述的介质阻挡电极Ⅰ及介质阻挡电极Ⅱ通过导线与高压电源相连，其中，与高压电源的正极相连的介质阻挡电极Ⅰ位置靠近供气装置的进气口，与高压电源的接地阴极相连的介质阻挡电极Ⅱ位置靠近微波腔体，朝向下游微波放电管的方向形成介质阻挡等离子体射流。
进一步地，所述的介质阻挡电极Ⅰ及介质阻挡电极Ⅱ间的距离以及高压电源的阴极到微调节件的距离为1-3cm，并且，介质阻挡电极Ⅰ及介质阻挡电极Ⅱ间的距离和高压电源的阴极到微调节件的距离不一定相同。既要保证介质阻挡等离子体能到达微波放电管形成微波等离子体，也要避免距离过近导致介质阻挡电极Ⅰ与铜质微调节件形成管外放电。
进一步地，所述的介质阻挡电极Ⅰ及介质阻挡电极Ⅱ由铜、铁、铝、钨、铂或其它合金制备而成；所述放电管由石英、刚玉或其它绝缘陶瓷制备而成。
进一步地，所述的两个内径相同、外径不同的放电管，内径均为2 mm，微波放电管外径为6mm，介质阻挡放电管的外径为3mm。内径相同的目的是使介质阻挡等离子体和微波等离子体形成串联放电。微波放电管的外径为6mm是由微调节件管腔的尺寸决定的，介质阻挡放电管的外径为3mm的目的是通过减小介质层厚度，生成射流长度更长的介质阻挡等离子体。以上尺寸可根据实际情况具体变更。
进一步地，所述的供气装置由气瓶和气体流量控制器组成，进气方向为气体从介质阻挡放电管进入，从微波放电管流出。
本发明所述装置与现有技术相比，不仅可以将介质阻挡放电作为微波放电的点火器，而且采用介质阻挡放电和微波放电串联的方式，实现了介质阻挡等离子体与微波等离子体的结合，使得工作气体的击穿能量和等离子体的维持能量都更小，在减小能耗的同时，对电源设备的要求也可显著降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为在介质阻挡放电的放电频率为9 kHz时，不同介质阻挡放电电压下氩气的击穿能量随流量变化曲线；
图3为在介质阻挡放电的放电频率为9 kHz时，不同介质阻挡放电电压下氩气等离子体的维持能量随流量变化曲线；
其中：1-气瓶，2-气体流量控制器，3-高压电源，4-介质阻挡电极Ⅰ，5-介质阻挡电极Ⅱ，6-介质阻挡放电管，7-微波放电管，8-主调节件，9-微调节件，10-微波腔体，11-环形塞盘，12-微波天线耦合件，13-微波天线连接件，14-接口件，15-微波源。
具体实施方式
下面结合附图说明给出实施例，通过实施例对本发明所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置的结构和工作过程作进一步说明：
实施例1
一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，包括放电管、高压电源3、两个相邻的介质阻挡电极Ⅰ4及介质阻挡电极Ⅱ5、微波源15、微波腔体10及供气装置；所述的放电管由两个内径相同、外径不同的石英管串联组成，外径小的放电管为介质阻挡放电管6，外径大的放电管为微波放电管7，其中介质阻挡放电管6靠近供气装置的进气口，微波放电管安装在微波腔体10中；所述的供气装置由气瓶1和气体流量控制器2组成，供气装置产生的气体从介质阻挡放电管6流入，从微波放电管7流出；介质阻挡电极Ⅰ4及介质阻挡电极Ⅱ5均由铜制成，覆盖在介质阻挡放电管6外侧并且与高压电源3相连；所述的微波放电管7、微波腔体10和微波源15组成微波放电***。
所述的介质阻挡电极Ⅰ4及介质阻挡电极Ⅱ5通过导线与高压电源3相连，其中，与高压电源3的正极相连的介质阻挡电极Ⅰ4位置靠近供气装置的进气口，与高压电源3的接地阴极相连的介质阻挡电极Ⅱ5位置靠近微波腔体10，朝向下游微波放电管7的方向形成介质阻挡等离子体射流。所述的介质阻挡电极Ⅰ4及介质阻挡电极Ⅱ5间的距离为1cm，高压电源3的阴极到微波腔体10的距离为3cm，既要保证介质阻挡等离子体能到达微波放电管形成微波等离子体也要避免距离过近导致介质阻挡电极Ⅰ4与铜质微调节件9形成管外放电。
该装置工作时，供气装置产生工作气体氩气，持续流入介质阻挡放电管6中，首先流经介质阻挡放电电极4和5对应的区域发生放电，产生可到达微波放电区域的等离子体射流，在微波源15的能量的输入下产生微波等离子体，即可实现介质阻挡放电和微波放电的串联放电。气体放电管6和7中的放电气体流速为0～2 L/min，微波耦合功率为0～200 W。介质阻挡放电电压峰-峰值为20～28 kV，频率为9 kHz。
实施例2
与实施例1相比，本实施例的不同之处在于：
如图1所示，所述的微波放电管7、微波腔体10和微波源15组成的微波放电***还包括安装在微波腔体10内用于调节微波耦合的管状结构主调节件8、安装在主调节件管腔内用于调节微波耦合的管状结构微调节件9和微波天线耦合件12，所述主调节件8设置有与微波腔体10内壁滑动配合的环形塞盘11，所述微波天线的耦合件12位于主调节件环形塞盘11与微波腔体10之间的微波放电管7上，通过微波天线连接件13和接口件14与微波源15连接。
两个放电管均由绝缘陶瓷制成，两个介质阻挡电极由铁制成；所述的介质阻挡电极Ⅰ4及介质阻挡电极Ⅱ5间的距离3cm，高压电源3的阴极到微调节件9的距离为1cm，既要保证介质阻挡等离子体能到达微波放电管形成微波等离子体也要避免距离过近导致介质阻挡电极Ⅰ4与铜质微调节件9形成管外放电。
该装置工作时，供气装置产生工作气体氩气，持续流入介质阻挡放电管6中，首先流经介质阻挡放电电极4和5对应的区域发生放电，产生可到达微波放电区域的等离子体射流，在微波源15的能量的输入下产生微波等离子体，即可实现介质阻挡放电和微波放电的串联放电。气体放电管6和7中的放电气体流速为0～2 L/min，微波耦合功率为0～200 W。介质阻挡放电电压峰-峰值为20～28 kV，频率为9 kHz。
实施例3
与实施例2相比，本实施例的不同之处在于：
所述的介质阻挡电极Ⅰ4及介质阻挡电极Ⅱ5间的距离以及高压电源3的阴极到微调节件9的距离为2cm，既要保证介质阻挡等离子体能到达微波放电管形成微波等离子体也要避免距离过近导致介质阻挡电极Ⅰ与铜质微调节件9形成管外放电。
所述的两个内径相同、外径不同的介质阻挡放电管6、微波放电管7，内径均为2mm，微波放电管7外径为6 mm，介质阻挡放电管6的外径为3 mm。
本发明所述装置与现有技术相比，不仅可以将介质阻挡放电作为微波放电 的点火器，而且采用介质阻挡放电和微波放电串联的方式，实现了介质阻挡等 离子体与微波等离子体的结合，使得工作气体的击穿能量和等离子体的维持能 量都更小，在减小能耗的同时，对电源设备的要求也可显著降低。具体地，如 图2、图3所示，在介质阻挡放电的放电频率为9kHz时，我们得到了只有微 波放电时的纯氩气放电所需气体击穿功率和等离子体维持功率随流量的变化， 在随后的步骤中，通过依次增加介质阻挡放电的电压，得到了相对应的微波放 电所需的击穿功率和维持功率随流量的变化。图2为使用该装置得到的不同放电电压下氩气的击穿能量随流量的变化曲线。图3为使用该装置得到的不同放 电电压下氩气等离子体的击穿维持能量随流量的变化曲线。从图中可以看出， 加上介质阻挡放电形成串联放电之后，微波放电的击穿功率和维持功率显著降 低，并且随着介质阻挡放电电压的增加，微波放电的击穿功率和维持功率呈现 出了降低的趋势。当介质阻挡放电电压从22kV提高到26kV时，其消耗功率 从3.62W增加到6.19W，而从图2和图3中可以得出，介质阻挡放电可以使 微波放电所需放电击穿功率和等离子体维持功率分别降低8-15W和6-11W， 所以即使加上介质阻挡放电的功率消耗，整体串联放电所用功率仍然比单独的 微波放电所用功率更低。
本发明不限于上述实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：包括放电管、高压电源（3）、两个相邻的介质阻挡电极Ⅰ（4）及介质阻挡电极Ⅱ（5）、微波源（15）、微波腔体（10）及供气装置；所述的放电管由两个内径相同、外径不同的放电管串联组成，外径小的放电管为介质阻挡放电管（6），外径大的放电管为微波放电管（7），其中介质阻挡放电管（6）靠近供气装置的进气口，微波放电管（7）安装在微波腔体（10）中，供气装置产生的气体从介质阻挡放电管（6）流入，从微波放电管（7）流出；介质阻挡电极Ⅰ（4）及介质阻挡电极Ⅱ（5）覆盖在介质阻挡放电管（6）外侧并且与高压电源（3）相连。
2.如权利要求1所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的微波放电管（7）、微波腔体（10）和微波源（15）组成微波放电***，所述的微波放电***还包括安装在微波腔体（10）内用于调节微波耦合的管状结构主调节件（8）、安装在主调节件（8）管腔内用于调节微波耦合的管状结构微调节件（9）和微波天线耦合件（12），所述主调节件（8）设置有与微波腔体（10）内壁滑动配合的环形塞盘（11），所述微波天线耦合件（12）位于主调节件环形塞盘（11）与微波腔体（10）之间的微波放电管（7）上，通过微波天线连接件（13）和接口件（14）与微波源（15）连接。
3.如权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的介质阻挡电极Ⅰ（4）及介质阻挡电极Ⅱ（5）通过导线与高压电源（3）相连，其中，与高压电源（3）的正极相连的介质阻挡电极Ⅰ（4）位置靠近供气装置的进气口，与高压电源（3）的接地阴极相连的介质阻挡电极Ⅱ（5）位置靠近微波腔体（10），朝向下游微波放电管（7）的方向形成介质阻挡等离子体射流。
4.如权利要求3所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的介质阻挡电极Ⅰ（4）及介质阻挡电极Ⅱ（5）间的距离以及高压电源（3）的阴极到微调节件（9）的距离既要保证介质阻挡等离子体能到达微波放电管（7）形成微波等离子体，也要避免距离过近导致介质阻挡电极Ⅰ（4）与微调节件（9）形成管外放电。
5.如权利要求4所述的一种质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的介质阻挡电极Ⅰ（4）及介质阻挡电极Ⅱ（5）间的距离以及高压电源（3）的阴极到微调节件（9）的距离为1-3 cm。
6.如权利要求4所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的介质阻挡电极Ⅰ（4）及介质阻挡电极Ⅱ（5）由铜、铁、铝、钨、铂或其它合金制备而成；所述介质阻挡放电管（6）及微波放电管（7）由石英、刚玉或其它绝缘陶瓷制备而成。
7.如权利要求4或5或6所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的两个内径相同、外径不同的放电管，内径均为2 mm，微波放电管（7）外径为6 mm，介质阻挡放电管（6）的外径为3 mm。
8.如权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电串联微波放电的等离子体发生装置，其特征在于：所述的供气装置由气瓶（1）和气体流量控制器（2）组成，进气方向为气体从介质阻挡放电管（6）进入，从微波放电管（7）流出。
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