CN111479376B - 基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器。该发生器是大气压射频感应耦合等离子体发生器，包括：预电离点火装置和感应耦合等离子体炬管，其中，所述感应耦合等离子体炬管包括内管、中间管、外管和环绕于所述外管的金属线圈；所述预电离点火装置用于为热等离子体提供种子电子，其是由置于所述内管中与内管同轴的绝缘介质层包裹着的正电极和环绕所述内管的接地极所构成的双介质阻挡放电结构。本发明通过在发生器的内部增加预电离点火装置，为大气压射频热等离子体的击穿点火问题提供了方便、实用的技术方案，并且增大了等离子体体积，实现了对进料的预处理。

Description

基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器

技术领域

本发明涉及等离子体发生器领域，更具体地，涉及一种基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器。

背景技术

低温等离子体产生的主要方式是气体放电。目前的气体放电主要是在真空下进行的，从应用角度看，真空环境产生的等离子体所需要的真空***设备复杂、费用高、条件苛刻。而大气压下的放电等离子体无须昂贵复杂的真空***，特别有利于工业化的应用，不但效率提高且生产成本显著降低。

目前在大气压条件下产生的等离子体有冷等离子体和热等离子体，它们的本质在于等离子体中电磁场向电子传递能量的机理不一样。大气压冷等离子体属于典型的非平衡等离子体，气体温度很低，甚至接近于室温，主要用于薄膜制备，材料表面改性，生物净化等领域。由于冷等离子体温度很低，因此，对于高熔点材料不能采用冷等离子体进行处理。而热等离子体的气体温度能达到3000—10000K，可以用于大面积固废处理、喷涂、高熔点材料合成等领域。产生热等离子体的常用方式包括直流电弧和射频感应耦合热等离子体，直流电弧炬存在因电极烧蚀而引起杂质污染的弊端，射频热等离子体的体积大、能量密度高、清洁(无电极)，在粉末稠密化、提纯、合成、球化等领域的应用增长快速。使用射频热等离子体方法进行材料合成、球化可获得传统方法难以实现的高性能、高品质的先进材料，如稀有金属、高熔点金属氧化物陶瓷、氮化物、氢化物的微纳颗粒等。

在现有技术中，对于大气压下的射频热等离子体来说，击穿与维持电压较高，通常需要引入辅助点火设备如特斯拉线圈，通过升压方式经由线圈终端产生小区域放电；或将一根金属棒伸入放电区域，通过金属尖端热电子发射的方式在几百瓦功率下达到放电击穿效果。现有的辅助点火方式，存在杂质污染、辅助放电区域小、电离粒子整体浓度低，并且点火完毕后需要手动移除放进射频热等离子体放电区域内的特斯拉线圈或金属棒，这对于一些需要控制气氛而配有腔室的等离子体***来说并不现实，因而极大限制了大气压射频热等离子体技术的应用。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供了一种基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，能够在较低的击穿电压下实现大气压下难以直接击穿的气体稳定放电，为大气压射频热等离子体的击穿点火问题提供方便、实用的新型技术方案。

本发明提供一种基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，所述发生器是大气压射频感应耦合等离子体发生器，包括：预电离点火装置和感应耦合等离子体炬管，其中，所述感应耦合等离子体炬管包括内管、中间管、外管和环绕于所述外管的金属线圈；所述预电离点火装置用于为热等离子体提供种子电子，其是由置于所述内管中与内管同轴的绝缘介质层包裹着的正电极和环绕所述内管的地电极所构成的双介质阻挡放电结构。

在一个实施例中，所述预电离点火装置以所述内管长度方向的中心为参考，设置于所述内管的上游位置。

在一个实施例中，所述预电离点火装置的电极连接能够提供预电离放电的射频电源或高压电源。

在一个实施例中，通过调节所述预电离点火装置连接的电压、射频功率或调节所述正电极和地电极之间的距离来控制所述预电离点火装置提供的种子电子的密度、射流长度。

在一个实施例中，将所述正电极底部与所述地电极之间的距离设置为1cm至6cm。

在一个实施例中，所述预电离点火装置中的地电极设置为至少一个。

在一个实施例中，该等离子体发生器还包括绝缘支架，用于支撑所述感应耦合等离子体炬管。

在一个实施例中，所述金属线圈是用于连接电源的多匝水冷线圈，以所述外管的长度方向的中心为参考，所述金属线圈以圆筒螺旋状圆柱型环绕在所述外管的下游位置。

在一个实施例中，所述绝缘介质层是贴附在所述正电极表面的耐热绝缘胶带或涂附在所述正电极表面的硅脂或石英玻璃管。

在一个实施例中，所述正电极、所述绝缘介质层、所述内管、所述外管和所述中间管为同轴设置。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过在等离子体发生器的内部设置预电离点火装置，能够在较低的击穿电压下实现大气压下难以直接击穿的气体稳定放电，替代传统的金属电极点火装置，不仅避免引入其他金属杂质，并且无需在点火成功后移除点火装置。本发明为大气压射频热等离子体的击穿点火问题提供了方便、实用的新型技术方案，而且增大了等离子体体积，实现了对进料的预处理。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的预电离点火装置的双介质阻挡工程结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参见图1和图2所示，本发明实施例的射频热等离子体发生器是大气压射频感应耦合等离子体发生器，包括前置的预电离点火装置、感应耦合等离子体炬管，其中感应耦合等离子体炬管设有三层管，分别是内管10、中间管20和外管30，组装内管、中间管和外管的绝缘耐热材料3和金属线圈4，预电离点火装置包括正电极1和地电极2(也称为接地极或负电极)。

在一个优选实施例中，预电离点火装置结构形成于内管10的上游位置(即内管长度方向的上半部分)，该结构是由置于内管中与内管同轴的绝缘介质层5包裹着的正电极，以及环绕内管的地电极所构成的双介质阻挡放电结构，其中正电极1和地电极2均可由绝缘介质层包裹，例如，绝缘介质层可以是贴附在电极表面的耐热绝缘胶带或涂附在电极表面的硅脂或石英玻璃管等。

预电离点火装置中的正电极1可用于连接高压电源或射频电源等(也称为高压/射频电极)，或连接能够提供预电离放电的其他电源，均能实现对工作气体预电离的目的。例如，采用射频电源，频率为13.56MHz或其他可调谐射频频率范围。地电极2可设置为一个或多个。

通过调节预电离点火装置连接的电压、射频功率或调节正电极1和地电极2之间的距离能够控制预电离点火装置所提供的种子电子的密度或射流长度等参数。例如，将正电极1最底部与地电极2之间的距离可设置为1cm至6cm范围或其他值，优选地设置为2cm或3cm。

在本发明实施例中，预电离点火装置设置在内管的上游位置，采用的是双介质阻挡放电结构，即所述结构由置于内管中与内管同轴的介质绝缘体(或称绝缘介质层)包裹着的高压/射频电极，以及环绕内管的地电极所构成的双介质阻挡放电结构。当电极间施加足够高的电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。设置在电极外表面的介质绝缘体是耐热的绝缘层，使电极与空气隔绝。

金属线圈4用于连接射频电源，例如是多匝(如4匝或5匝等)水冷线圈，按照圆筒螺旋状圆柱型环绕在外管下游位置。

在本发明实施例中，优选地，感应耦合等离子体炬管是一个三层同轴石英玻璃管。具体地，外管30内可通入冷却氩气，以避免等离子炬烧坏石英管。中间管20可通入氩气以维持等离子体。内管10由载气将试样气溶胶从内管引入等离子。当电源与围绕在等离子体炬管外的负载感应金属线圈4接通时，感应电流流过线圈，产生轴向磁场。此时向炬管的外管内切线方向通入冷却氩气，中层管内轴向(或切向)通入辅助气体氩气，并用预电离点火装置激发产生种子电子。需说明的是，在实际应用中，还包括绝缘支架(未示出)，用于支撑该三层同轴石英玻璃管。

在一个实施例中，感应耦合等离子体炬管的外管、中间管和内管的长度分别设置为16.5cm，9cm，15cm，外径分别是35mm，22mm，6mm，内径分别为31mm,20mm,4mm。

在本发明实施例中，通过前置的双介质阻挡放电对工作气体的预电离作用，为射频热等离子体放电提供种子电子。具体地，对于射频热等离子体放电，存在着两种放电模式，一种是E型放电，一种是H型放电，E型放电是线圈表面电荷产生的静电场导致的放电，例如电容耦合等离子体中的放电。H型放电是线圈中的电流感生出的磁场，继而磁场再感应出电场，等离子体得以维持放电。射频热等离子体在初始放电阶段处于E型放电，随着施加的功率的升高，达到一定值后，E型放电会向H型放电跳跃。在E型放电阶段，等离子体放电是由碰撞引起的(电子到达壁之前与背景气体发生多次碰撞)，本发明通过预电离额外提供种子电子，能够为射频热等离子体的击穿提供有效辅助，从而实现在放电间隙较大、击穿电压较低的情况下直接实现在大气压下几乎不能击穿的射频热等离子体放电；并且预电离放电中的亚稳态粒子，活性反应环境，还能起到给材料的合成提供前处理的作用。

本发明将预电离点火装置应用于大气压射频热等离子体发生器，能在大气压下稳定工作，其优点至少包括：采用射频电源在大气压下达到均匀稳定的H型放电，形成高温的射频热等离子体炬；可以在较低的击穿电压下实现氩气，甚至是氮气等气体放电，直接实现在大气压下几乎不能击穿的射频热等离子体放电；避免了引入其他金属杂质；等离子体体积增大，预电离放电中的亚稳态粒子，活性反应环境，在应用中还能起到给材料进行预处理的作用。

综上所述，本发明将预电离点火装置应用于射频热等离子体发生器，可以在较低的击穿电压下实现氩气、氮气等在大气压下难以直接击穿的气体放电。与不采用该种预电离点火装置结构设计的射频热等离子体发生器相比，本发明降低了热等离子体的击穿与维持电压，能够产生均匀稳定放电，同时避免引入其他金属杂质，直接在大气压下，大的放电间隙下以较低的击穿电压实现了在大气压下几乎不能击穿的射频热等离子体放电，为大气压射频热等离子体的击穿点火问题提供方便、实用的解决方案。本发明提出的技术方案将极大推动大气压射频热等离子体在材料处理、粉末稠密化、提纯、合成、球化等领域的实际应用，显示出其清洁、高效、快速的处理能力。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是大气压射频感应耦合等离子体发生器，包括：预电离点火装置和感应耦合等离子体炬管，其中，所述感应耦合等离子体炬管包括内管、中间管、外管和环绕于所述外管的金属线圈；所述预电离点火装置用于为热等离子体提供种子电子，其是由置于所述内管中与内管同轴的绝缘介质层包裹着的正电极和环绕所述内管的地电极所构成的双介质阻挡放电结构；

其中，所述预电离点火装置以所述内管长度方向的中心为参考，设置于所述内管的上游位置；所述预电离点火装置的电极连接能够提供预电离放电的射频电源或高压电源，并且通过调节所述预电离点火装置连接的电压、射频功率或调节所述正电极和地电极之间的距离来控制所述预电离点火装置提供的种子电子的密度、射流长度。

2.根据权利要求1所述的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，所述正电极底部与所述地电极之间的距离设置为1cm至6cm。

3.根据权利要求1所述的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，所述预电离点火装置中的地电极设置为至少一个。

4.根据权利要求1所述的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，还包括绝缘支架，用于支撑所述感应耦合等离子体炬管。

5.根据权利要求1所述的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，所述金属线圈是用于连接电源的多匝水冷线圈，以所述外管的长度方向的中心为参考，所述金属线圈以圆筒螺旋状圆柱型环绕在所述外管的下游位置。

6.根据权利要求1所述的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，所述绝缘介质层是贴附在所述正电极表面的耐热绝缘胶带或涂附在所述正电极表面的硅脂或石英玻璃管。

7.根据权利要求1所述的基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器，其特征在于，所述正电极、所述绝缘介质层、所述内管、所述外管和所述中间管为同轴设置。

Images