CN113784492A

CN113784492A - 一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法

Info

Publication number: CN113784492A
Application number: CN202111074190.8A
Authority: CN
Inventors: 王玉英; 闫慧杰; 李婷
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2021-12-10

Abstract

本发明属于大气压低温等离子体应用技术领域，涉及一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法。本发明所采用的放电方式，将气流平行引入放电空间，通过气流对放电空间中热和粒子的再分布作用，产生和维持均匀放电。本发明所采用的放电方式，结合所需的放电间隙和气流速度，动态调整放电参数，能在所需工况下实现大体积均匀等离子体。此方法在相关应用领域具有有益的技术效果，有利于提高其处理均匀性和效率。

Description

一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法

技术领域

本发明属于大气压低温等离子体技术领域，涉及一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法。

背景技术

介质阻挡放电是一种在大气压下产生低温等离子体的经济可靠的方式。通过在放电电极间***绝缘介质，可以抑制放电向电弧放电转化，从而避免对电极材料的烧蚀和对被处理材料的损伤。由于它不需要真空***，能直接在大气压环境下工作、装置结构也灵活简单，所以应用非常广泛，可以用在流动控制、材料处理、臭氧产生、废气处理等许多领域。但是在大气压空气和氮气介质阻挡放电中，放电通常处于丝状模式，放电外观表现为在时间和空间上随机出现的放电细丝。目前很多应用中使用的也是这种丝状放电。放电丝等离子体密度集中且能量沉积不均匀，容易造成材料的热损伤和不均匀的处理效果。为了提高应用过程中处理的均匀性和处理效率，需要提高放电的均匀性。

纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电相比传统交流放电，由于具有陡峭的上身沿和短脉宽，被认为能够同时产生大量电子雪崩并能抑制电子不稳定性和热不稳定性，从而更有希望实现均匀放电。尽管如此，目前产生的均匀放电仅能实现局部均匀放电和小体积均匀放电。在有望实现大体积均匀放电的平行板电极结构下，纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电一般仅能在2-3mm以内的放电间隙下产生均匀放电。在较大间隙下产生和维持大体积的均匀的等离子体是目前该领域的一大难点。

向放电空间中施加气流是一种经济、简便的调控放电特性的方式，并且在某些应用领域如流动控制、臭氧产生、废气处理等，气流的存在是不可避免的，因此在气流环境下产生大体积均匀等离子体也是相关工业应用领域的迫切需求之一。高速气流的引入通常会造成放电强度的降低，甚至使放电熄灭。在本发明中选择了合适的放电结构和气流引入方式，并提出了在放电过程中动态调整放电参数这一方法，从而能够在1-10mm放电间隙下产生大体积均匀等离子体。

发明内容

针对目前大气压空气和氮气均匀放电只能在局部放电区域或小间隙下产生这一局限，以及在气流环境下放电容易被吹熄这一缺点，本发明提供了一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法。

本发明的技术方案为：

一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，能够在1-10mm的间隙下产生大体积均匀等离子体。

等离子体发生***包括纳秒脉冲电源、风道***和介质阻挡放电平板电极单元。

所述的风道***由单级叶轮涡旋气泵(对于空气放电)或者氮气瓶(对于氮气放电)、风道和拉瓦尔喷嘴构成；空气流由单级叶轮涡旋气泵产生，在实验中氮气流通过气瓶提供；气流流经风道和拉瓦尔喷嘴进入放电间隙；气流速度可通过拉瓦尔喷嘴前端的球阀调节。

所述介质阻挡放电平板电极单元由上接线端、上电极、螺栓、上介质板、垫片、下介质板、下电极、螺母、下接线端构成。其中上、下电极为镀有氧化铟锡(ITO)导电薄膜的玻璃；

上电极通过上接线端与纳秒脉冲电源高压端连接，上接线端为铜箔A；下电极通过下接线端与纳秒脉冲电源接地端连接，下接线端为铜箔B；上、下阻挡介质为石英玻璃，上石英玻璃和下石英玻璃均有四个通孔；放电间隙通过四个具有一定厚度的尼龙垫片调节；通过四个尼龙螺栓和尼龙螺母固定上石英玻璃、垫片、下石英玻璃。

所述上、下电极均为透明的镀有ITO导电薄膜的玻璃，其中镀有ITO导电薄膜的一面与石英玻璃接触，镀有ITO导电薄膜的玻璃的外侧边缘涂有704硅橡胶，石英玻璃和镀有ITO导电薄膜的玻璃通过704硅橡胶粘接并保持良好接触。ITO导电薄膜通过铜箔连入电路，透明的上、下电极可以实现从上、下俯面以及侧面等各个方向观察放电情况，同时允许利用透射方法(如Pockels效应测量表面电荷、激光诊断、拍摄纹影图)诊断放电特性。

所述拉瓦尔喷嘴和放电装置紧密接触，气流平行于气隙进入放电空间。

所述纳秒脉冲电源要提供足够高的电压和频率。放电均匀程度依赖于脉冲电源的电压和频率。在大间隙、大气流下，相应地要采用高电压、高频率，以保证放电的均匀性。

所述纳秒脉冲电源由自耦变压器、三级磁压缩脉冲电源和升压器组成，脉冲上升沿约40ns，脉宽约200ns；脉冲重复频率可设置为100、300、600、1000、1200Hz等；通过自耦变压器可以调节脉冲电压峰值，电压调节范围为0-40kV。

所述风道***能在放电空间中产生0-240m/s的空气流和0-80m/s的氮气流，气流速度的大小通过拉瓦尔喷嘴前端的球阀调节。

所述均匀放电等离子体在单极性纳秒脉冲和双极性纳秒脉冲驱动下都可以产生。使用频率大于1200Hz、电压大于40kV的纳秒脉冲电源，能实现在更高气流速度和更大放电间隙下产生大体积均匀等离子体。

所述的在空气流和氮气流环境下产生大体积均匀等离子体的装置和方法，包括以下步骤：

第一步，根据所需的放电间隙选择具有一定厚度的尼龙垫片，通过尼龙螺栓和尼龙螺母组装介质阻挡放电平板电极单元；

第二步，将介质阻挡放电平板电极单元固定在尼龙架子上，并与拉瓦尔喷嘴的气流出口处紧密接触，使气流平行于放电间隙流入放电空间；

第三步，将放电装置连入电路，自耦变压器旋钮旋转到合适位置，电源电压调整到合适大小，打开电源，产生稳定放电；

第四步，调节球阀至所需气流速度处，打开气泵或气瓶开关，引入气流；

第五步，观察放电均匀程度，并使用高速相机或ICCD拍摄曝光时间不小于一个周期的放电图像。如果放电丝粗而明亮，减小电压、降低频率，至整个放电区域的放电均匀弥散；如果放电丝细而弱，增加电压、提高频率，至整个放电区域的放电均匀弥散。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置和方法能在大气压下普通的空气和氮气中产生均匀放电，能够有效降低实际应用中购买真空设备和购买昂贵稀有气体的成本。

本实验装置采用普通玻璃上镀有的透明ITO薄膜作为上、下电极，这一方式有三大优点。一是可以直接购买合适规格的镀有ITO薄膜的玻璃，能够减少以往在石英玻璃介质上镀膜定制造成的昂贵成本，并且，普通玻璃便于切割，可以通过玻璃刀自由切割所需的电极尺寸和电极形状；二是采用透明的上、下电极可以实现从俯面、底部、侧面等各个放电观察放电；三是透明的上、下电极允许利用透射方法诊断放电特性。

本发明所采用的放电方式，将气流平行引入放电空间，通过气流对放电空间中热和粒子的再分布作用，产生和维持均匀放电。

本发明所采用的放电方式，结合所需的放电间隙和气流速度，动态调整放电参数，能在所需工况下实现大体积均匀等离子体。此方法在相关应用领域具有有益的技术效果，有利于提高其处理均匀性和效率。

附图说明

图1为大体积均匀等离子体发生***；

图2为介质阻挡放电结构；

图3为不同电压下静止空气中和流动空气中的俯面放电图像；

图4为不同频率下静止空气中和流动空气中的俯面放电图像；

图5为静止氮气和流动氮气中的俯面放电图像。

图中1为纳秒脉冲电源；2为风机；3为风道；4为拉瓦尔喷嘴；5为铜箔A；6为镀有ITO薄膜的玻璃A；7为尼龙螺栓；8为石英玻璃A；9为尼龙垫片；10为石英玻璃B；11为尼龙螺母；12为镀有ITO薄膜的玻璃B；13为铜箔B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，能够在1-10mm的间隙下产生大体积均匀等离子体。等离子体发生***如图1所示，包括纳秒脉冲电源、风道***和介质阻挡放电平板电极单元。风道***由单级叶轮涡旋气泵(对于空气放电)或者氮气瓶(对于氮气放电)、风道和拉瓦尔喷嘴构成；空气流由单级叶轮涡旋气泵产生，在实验中氮气流通过气瓶提供；气流流经风道和拉瓦尔喷嘴进入放电间隙；气流速度可通过拉瓦尔喷嘴前端的球阀调节，空气流的调节范围为0-240m/s，氮气流的调节范围为0-80m/s。纳秒脉冲电源由自耦变压器、三级磁压缩脉冲电源和升压器组成，脉冲上升沿约40ns，脉宽约200ns；脉冲重复频率可设置为100、300、600、1000、1200Hz等；通过自耦变压器可以调节脉冲电压峰值，电压调节范围为0-40kV。

介质阻挡放电平板电极单元如图2所示，介质阻挡放电结构由上接线端、上电极、螺栓、上介质板、垫片、下介质板、下电极、螺母、下接线端构成。其中上、下电极为镀有ITO导电薄膜的玻璃，玻璃的厚度为1.1mm，透过率为84％，ITO薄膜的方阻≤6Ω，膜层厚度为185nm，通过改变玻璃尺寸可以控制放电区域大小，在附图3、4所展示的空气放电中，放电区域尺寸为110×50×5mm³，在附图5所展示的氮气放电中，放电区域尺寸为80×20×5mm³；上电极通过上接线端与纳秒脉冲电源高压端连接，上接线端为铜箔，铜箔紧贴在电极左边缘以防止对俯面观察造成阻碍；下电极通过下接线端与纳秒脉冲电源接地端连接，下接线端为铜箔，铜箔紧贴在电极右边缘以防止对观察造成阻碍；上、下阻挡介质为石英玻璃，石英玻璃的相对介电常数为3.8，尺寸为160×110×2mm³，上石英玻璃和下石英玻璃均有四个直径为7mm的通孔，通孔设置在靠近石英玻璃边缘的位置，以防止对观察造成干扰；放电间隙通过四个具有一定厚度的尼龙垫片调节，在附图3、4、5所示的空气和氮气放电中，尼龙垫片的厚度为5mm；通过四个尼龙螺栓和尼龙螺母固定上石英玻璃、垫片、下石英玻璃，使上、下石英玻璃阻挡介质相互平行。

上、下电极均为透明的镀有ITO导电薄膜的玻璃，其中镀有ITO导电薄膜的一面与石英玻璃接触，镀有ITO导电薄膜的玻璃的外侧边缘涂有704硅橡胶，石英玻璃和镀有ITO导电薄膜的玻璃通过704硅橡胶粘接并保持良好接触。ITO导电薄膜通过铜箔连入电路，透明的上、下电极可以实现从上、下俯面以及侧面等各个方向观察放电情况，同时允许利用透射方法(如Pockels效应测量表面电荷、激光诊断、拍摄纹影图)诊断放电特性。

采用上述装置在空气流和氮气流环境下产生大体积均匀等离子体的方法，包括以下步骤：

第三步，将放电装置连入电路，自耦变压器旋钮旋转到合适位置，电源电压调整到合适位置，打开电源，产生稳定放电；

为了证明本发明可以实现预期效果，在实验中利用本发明所提供的装置和方法对比研究了放电均匀性；

采用上述等离子体发生***，在静止气体(气流速度为0m/s)和流动气体中(气流速度为10m/s)分别实施放电。使用高速运动分析仪，从俯面对放电进行图像采集，相机的曝光时间为一个放电周期。

首先研究空气流中的放电均匀性及放电参数对放电等离子体均匀程度的影响。在空气放电中采用不同的驱动电压(即30.5kV、34.3kV、36.4kV)和不同的驱动频率(即100Hz、600Hz、1200Hz)。固定放电频率为1200Hz，不同电压下的俯面放电图像如图3所示。在静止空气中，不同电压下，俯面放电图像中存在大量明亮的斑点，这是不均匀的丝状放电存在的标志。在流动空气中，低电压30.5kV下，放电空间中仍然存在大量丝状放电。按照本发明所提供的在空气流和氮气流环境下产生大体积均匀等离子体的方法步骤，调高电压至34.3kV，放电空间中的丝状放电明显减弱；进一步地调高电压至36.4kV，放电空间中的丝状放电基本消失，整体上产生了大体积均匀等离子体。固定放电电压为36.4kV，不同频率下的俯面放电图像如图4所示。在静止空气中，不同频率下，俯面放电图像中大量区域呈现为丝状放电。在流动空气中，低频率100Hz下，放电空间中仍然存在大量丝状放电。按照本发明所提供的在空气流和氮气流环境下产生大体积均匀等离子体的方法步骤，调高频率至600Hz，放电空间中的丝状放电明显减弱；进一步地调高频率至1200Hz，放电空间中的丝状放电基本消失，整体上产生了大体积均匀等离子体。

其次研究氮气流中的放电均匀性。在氮气放电中采用36.4kV的驱动电压和1200Hz的驱动频率。静止氮气和流动氮气中的俯面放电图像如图5所示。在静止氮气中，俯面放电图像中存在明显斑点，放电处于丝状放电模式。在流动氮气中，俯面放电图像整体上均匀弥散。

以上的研究结果能够证明，采用本发明所提供的实验装置和实验方法，能够在空气和氮气中产生大体积均匀放电等离子体。在工业应用中，如材料表面处理和臭氧产生，仅需要10m/s的空气流或者氮气流就可以明显提高放电均匀程度，从而有效改善处理效果和处理效率。针对一些特殊应用，比如流动控制、废气处理等，装置可能不可避免地需要被引入更高速度的气流，根据本发明所提供的方法，通过选购能够提供较高频率或者较高电压的纳秒脉冲电源，能够实现在高速气流下产生大体积均匀等离子体。因此，本发明所提供的装置和方法能够在空气流和氮气流环境下产生大体积均匀等离子体，所产生的大体积均匀等离子体对于臭氧产生、材料表面处理、流动控制、废气处理等领域具有很大的应用价值。

所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，根据所需的放电间隙选择尼龙垫片(9)，通过尼龙螺栓(7)和尼龙螺母(11)组装介质阻挡放电平板电极单元；

所述介质阻挡放电平板电极单元包括上接线端、上电极、上介质板、垫片、下介质板、下电极、下接线端；上、下电极为镀有氧化铟锡导电薄膜的玻璃；上电极通过上接线端与纳秒脉冲电源(1)高压端连接，上接线端为铜箔A(5)；下电极通过下接线端与纳秒脉冲电源(1)接地端连接，下接线端为铜箔B(13)；上、下阻挡介质为石英玻璃A(8)、石英玻璃B(10)，上石英玻璃A(8)和下石英玻璃B(10)均有四个通孔；放电间隙通过具有一定厚度的尼龙垫片(9)调节；通过尼龙螺栓(7)和尼龙螺母(11)固定上石英玻璃A(8)、尼龙垫片(9)、下石英玻璃B(10)；

第二步，将介质阻挡放电平板电极单元固定在尼龙架子上，并与拉瓦尔喷嘴(4)的气流出口处紧密接触，使气流平行于放电间隙流入放电空间；

第三步，将纳秒脉冲电源(1)的高压输出端和接地端，分别连接铜箔A和铜箔B，打开电源，产生稳定放电；

第四步，调节球阀至所需气流速度处，打开气泵开关或气瓶阀门，引入气流；

第五步，观察放电均匀程度，并使用高速相机或ICCD拍摄曝光时间不小于一个周期的放电图像；如果放电丝粗而明亮，减小电压、降低频率，至整个放电区域的放电均匀弥散；如果放电丝细而弱，增加电压、提高频率，至整个放电区域的放电均匀弥散。

2.如权利要求1所述的一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，所述的上、下电极均为透明的镀有ITO导电薄膜的玻璃，其中镀有ITO导电薄膜的一面与石英玻璃接触，镀有ITO导电薄膜的玻璃的外侧边缘涂有704硅橡胶，石英玻璃和镀有ITO导电薄膜的玻璃通过704硅橡胶粘接并保持良好接触；ITO导电薄膜通过铜箔连入电路，透明的上、下电极可以实现从上、下俯面以及侧面等各个方向观察放电情况，同时允许利用透射方法诊断放电特性。

3.如权利要求1或2所述的一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，所述的透射方法包括Pockels效应测量表面电荷、激光诊断或拍摄纹影图中的一种。

4.如权利要求1或2所述的一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，所述的拉瓦尔喷嘴(4)与单级叶轮涡旋气泵或者氮气瓶、风道(3)相连，空气流由单级叶轮涡旋气泵产生，在实验中氮气流通过气瓶提供；气流流经风道(3)和拉瓦尔喷嘴(4)进入放电间隙；气流速度可通过拉瓦尔喷嘴(4)前端的球阀调节。

5.如权利要求1或2所述的一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，所述的纳秒脉冲电源(1)由自耦变压器、三级磁压缩脉冲电源和升压器组成，脉冲上升沿约40ns，脉宽约200ns；脉冲重复频率可设置为100、300、600、1000、1200Hz等；通过自耦变压器可以调节脉冲电压峰值，电压调节范围为0-40kV。

6.如权利要求3所述的一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，所述的纳秒脉冲电源(1)由自耦变压器、三级磁压缩脉冲电源和升压器组成，脉冲上升沿约40ns，脉宽约200ns；脉冲重复频率可设置为100、300、600、1000、1200Hz等；通过自耦变压器可以调节脉冲电压峰值，电压调节范围为0-40kV。

7.如权利要求4所述的一种在空气流或氮气流中产生大体积均匀等离子体的方法，其特征在于，所述的纳秒脉冲电源(1)由自耦变压器、三级磁压缩脉冲电源和升压器组成，脉冲上升沿约40ns，脉宽约200ns；脉冲重复频率可设置为100、300、600、1000、1200Hz等；通过自耦变压器可以调节脉冲电压峰值，电压调节范围为0-40kV。