CN1489426A - 常压射频冷等离子体***及其喷枪 - Google Patents
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Abstract
一种常压射频冷等离子体***，包括喷枪、射频电源、供气源，其特征在与：该喷枪包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，于该外壳内设有内电极和包覆在该内电极***的外电极，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该内电极与外电极之间位于外壳的封闭端处设有绝缘体，该内电极与外电极之间形成放电区间，该放电区间一端与该喷口相通，另一端与进气导管相通，该进气导管与供气源连通，该内、外电极之间形成放电区间，放电是在常压下进行的，该放电区间一端与该喷口相通，另一端与进气导管相通。本发明能在大气压下稳定工作并产生低电压、大面积冷等离子体束流，从而为等离子体技术在清洗、杀菌、消毒等广泛领域的应用开辟了道路。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种等离子体发生装置，尤指一种常压射频冷等离子体***及其喷枪。
【背景技术】
等离子体技术是在近年才迅速发展起来的，并已得到广泛的应用，例如可用于：(1)微电子工业硅片清洗，替代目前的酸和去离子水清洗。(2)清洗所有的生化污染表面，包括被生化武器污染的表面和空间。(3)替代湿化学法，可用于制药和食品行业原位消毒。(4)用于医疗器件消毒和皮肤病的治疗。(5)用于清洗放射性材料表面，试验证明等离子体技术是目前唯一可行的手段，而目前世界上的废弃放射性材料只能填埋处理。(6)食品保鲜杀菌。(8)纺织企业衣料改性。(9)刻蚀金属、半导体和电介质材料等。
在空气中，要使气体击穿电离产生等离子体需要几千伏的高压。目前生成等离子体主要有两种方式：一种是利用电弧产生等离子体，电弧放电时气体温度将高达3000℃以上，产生的直流热平衡等离子体炬，可用于金属的切割、焊接和表面喷涂。但高温的等离子体炬也限制了它的用途，因为它会烧毁所有面对的物品。另一种方式是利用电晕放电产生等离子体，但电晕放电难以产生均匀大面积等离子体，在几千伏的高压下，电流范围仅为微安培量级，一般只是用来产生臭氧作消毒用。现有的等离子体技术要使气体在非高压下击穿产生等离子体，并维持稳定大面积非热放电，只能在真空室中进行，从而限制了它的应用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种常压射频冷等离子体***及其喷枪，能在大气压下稳定工作并能产生低电压、大面积冷等离子体束流，从而为等离子体技术在清洗、杀菌、消毒等广泛领域的应用开辟了道路。
为了达到上述目的，本发明提供一种常压射频冷等离子体***，包括喷枪、射频电源、供气源，其特征在于：该喷枪包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，于该外壳内设有内电极和包覆在该内电极***的外电极，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该内电极与外电极之间设有绝缘体，该内电极与外电极之间还设有放电区间，该放电区间一端与该喷口相通，另一端与进气导管相通，该进气导管与供气源连通，放电是在常压下进行的。
所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该射频电源是13.56MHz或27.12MHz的射频电源，该等离子体放电是在正常大气压下进行的，并且是低电压击穿，气体被击穿时的均方根电压为100伏至200伏范围。
所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该喷枪的外壳与外电极可设为一体。
所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该供气源所供气体是氩气或氦气。
所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该供气源所供气体是氩气或氦气与少量的反应气体或液体的混合气体。
所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该内电极和外电极***分别设有冷却循环水管。
本发明还提供一种常压射频冷等离子体喷枪，包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，其特征在于：于该外壳内设有内电极和中空的外电极，外电极包覆在该内电极***，该内电极为圆锥形，其朝向外壳封闭端的一端的外径较大，朝向喷口的一端外径较小，该外电极的内腔具有与该内电极对应的形状，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该内电极与外电极之间位于外壳的封闭端处设有绝缘体，该内电极与外电极之间形成放电区间，该放电区间一端与该喷口相通，另一端与进气导管相通，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
本发明还提供一种常压射频冷等离子体喷枪，包括一外壳，其特征在于：于该外壳内设有内电极和外电极，外电极包覆在该内电极***，该内电极和该外电极均为中空的圆筒形，该内电极的内腔与进气导管连通，该内电极与外电极之间设有圆筒形绝缘体，该绝缘体设有一沿其轴向贯通的长条形贯通槽，该贯通槽形成放电区间，该内电极周壁上对应该贯通槽设有多数通气孔，该外电极周壁上设有多数对应该贯通槽的喷口，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
本发明还提供一种常压射频冷等离子体喷枪，包括一外壳，其特征在于：于该外壳内设有内电极和外电极，外电极包覆在该内电极***，该内电极与外电极之间设有绝缘体，该内电极包括互相连接的中空的小径段、过渡段及大径段，该小径段为外径较小的圆筒形，该过渡段为喇叭形，该大径段为外径较大的圆筒形，该大径段具有周壁和端壁，于该大径段的端壁上设有多数贯通孔，该小径段的内腔与进气导管连通，该外电极为圆筒形且具有与该内电极对应的周壁和端壁，该内电极与外电极之间设有绝缘体，该绝缘体在相对该内电极的端壁与该外电极的端壁之间设有一与上述贯通孔相对应的一通孔，该通孔形成放电区间，该外电极的端壁上对应设有多数喷口，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
所述的常压射频冷等离子体喷枪，其特征在于：该射频电源是13.56MHz或27.12MHz的射频电源，气体被击穿的均方根电压为100伏至200伏。
所述的常压射频冷等离子体喷枪，当其功率超过300瓦时，可在该内电极和外电极***分别设冷却循环水管。
本发明的常压射频冷等离子体***能在大气压下稳定工作，其优点是：1，采用射频电源在常压下能产生均匀大面积的冷等离子体，过去此类冷等离子体只能在真空室里发生。2，不但能用氦气作为载入工作气体，而且可以用氩气作为载入工作气体，并可以添加其它任何反应气体和液体成份。3，其喷出的等离子体束流温度通常小于200摄氏度，而喷出束流中几乎不含有离子成份。4，直接可以采用13.56MHz或27.12MHz的射频电源来激发放电，其击穿放电时的均方根电压仅为100伏至200伏之间，因此它不同于高压电晕放电，高压电晕放电是于电极之间加入绝缘材料，起辉频率范围为1至100千赫兹，起辉均方根电压为1至5千伏。
本发明的常压射频冷等离子体喷枪可喷出含有大量的亚稳态的活性成份的冷等离子体束流，由于是在大气压下，因此该束流几乎不含有离子成份。本发明的主要用途是：通过喷出的含有大量活性成份的大面积等离子体束流，可用于清洗所有有机物质所带来的表面污染和生物病毒和细菌所造成的表面污染，例如，用氧气作为反应气体时，其活性氧能很快与有机和生物体反应形成二氧化炭和水，由于束流温度较低，所以用它对被污染物体表面进行清洗和灭菌时不会对基底造成破坏，也不会带来二次污染。通过改变不同的反应气体，可用于对物体表面进行改性，刻蚀有机和无机材料以及化学气相沉积薄膜材料。以大面积等离子体束流用于清洗所有有机物质所带来的表面污染和生物病毒和细菌所造成的表面污染具有无任何污染、清洗速度快(是传统湿化学方法的20-30倍)、不会对基底材料有任何损害、不受污染体空间和形状的限制，具有穿透性、成本非常低等优点。
通过改变放电功率，气体流量，气体成份可以控制等离子体束流喷出的长度和避免电极之间的拉弧现象。
【附图说明】
图1为本发明的第一种实施例的结构剖视示意图；
图2为本发明的第二种实施例的结构剖视示意图；
图3为本发明的第三种实施例的结构剖视示意图。
图4为本发明的第一种实施例的氩氧等离子体放电与氦氧等离子体放电特性曲线图。
图5为本发明的第一种实施例的氩氧等离子体束流与氦氧等离子体束流的温度比较图。
首先，请参阅图1，本发明的常压射频冷等离子体***，包括喷枪、射频电源101、供气源102，该喷枪包括一外壳，该外壳一端被绝缘体104封闭，另一端设有喷口110，于该外壳内设有内电极103和中空的外电极105，该内电极103为圆锥形，其朝向外壳封闭端的一端的外径较大，朝向喷口110的一端外径较小，外电极105包覆在该内电极103***，该外电极105的内腔具有与该内电极103对应的形状。该内电极103与射频电源101连接，该外电极105接地，该内电极103与外电极105之间靠近外壳的封闭端处设有绝缘体104，该内电极103与外电极105之间形成放电区间108，该放电区间108一端与该喷口110相通，另一端与进气导管107相通，该进气导管107通过减压控制阀门106与供气源102连通。该外电极105及该内电极103可由金属材料，如不锈钢，铝，铜等加工制成，绝缘体104可用陶瓷、聚四氟乙烯等绝缘材料。该喷枪的外壳与外电极105可设为一体。射频电源101可采用13.56MHz或27.12MHz或其它频率的射频电源来激发放电，放电是在常压下进行的。
本发明的常压射频冷等离子体喷枪的内电极103为圆锥形，其是利用拉瓦尔喷口的原理设计，建立圆锥筒形的放电区间108有利于提高喷出束流的速度，进而提高喷出等离子体的长度；因放电区间108的曲率半径不同，因此更有利于气体的击穿。本发明在常压下可直接激发氩气形成稳定的冷氩等离子体。该内电极103由射频源电缆109连接射频电源101。可采用氩或氦作为载入气体，并混入部分反应气体，气体流量可由控制减压阀门106和气体流量计来控制，进气导管107可采用外径为6毫米的气体导管，与喷枪连接处用橡皮圈密封。绝缘体104还起到密封电极末端的作用，混合气体经过放电区间108后，由喷口110向外喷出，形成几乎不含有离子，只含有大量活性原子以及分子的束流。
请参阅图2，本发明的第二种实施例。该喷枪内电极202和该外电极205均为中空的圆筒形，该内电极202的内腔与进气导管207连通，该进气导管207通过控制减压阀门206与供气源203连通，该内电极202与外电极205之间设有圆筒形绝缘体204，该内电极202由射频源电缆208连接射频电源201。该绝缘体204设有一沿其轴向的贯通的长条形贯通槽222，该贯通槽222形成放电区间，该内电极202周壁上对应该贯通槽222设有多数通气孔2020，该外电极205周壁上设有多数对应的喷口2050。
绝缘体204与两个电极之间的右侧端部由橡皮圈密封，混合气体经过放电区间后，由外电极205周壁上设的多数对应的喷口2050向外喷出，形成几乎不含有离子，只含有大量活性原子以及分子的束流。
射频电源201可采用13.56MHz或27.12MHz或其它频率的射频电源来激发放电，其击穿放电时的均方根电压为100～200伏，放电是在常压下进行的。
上述第二实施例其放电区间的原理是把喷口设置在外电极205周壁，形成多数小圆孔状的喷口(小圆孔的直径可为0.5至1.5毫米)分布，放电是在两个同心金属圆筒之间形成一个条状的放电区间。该喷枪使集中在一个较大的喷口的等离子体束流，分解为直径较小的等离子体束流，并使其分布在一个条形的区间向外喷出。该喷枪不但可大大提高了喷出束流的宽度，而且可以大大提高喷出束流的面积。
请参阅图3，本发明的第三种实施例的常压射频冷等离子体喷枪，该内电极303包括互相连接的中空的小径段3031、过渡段3032及大径段3033，该小径段3031为外径较小的圆筒形，过渡段3032为喇叭形，该大径段3033为外径较大的圆筒形，该大径段3033具有周壁3034和端壁3035，于该大径段的端壁3035上设有多数贯通孔3036，该小径段3031的内腔305与该进气导管309连通，该进气导管309通过控制阀门307与供气源302连通，该内电极303由射频源电缆308连接射频电源301。包覆在该内电极303***的外电极306亦为圆筒形且具有与该内电极对应的周壁3061和端壁3062，该内电极303与外电极306之间设有绝缘体304，该绝缘体304在相对该内电极的端壁3035与该外电极的端壁3062之间设有一与上述贯通孔3036相对应的一通孔3041，该通孔3041形成放电区间，该外电极的端壁3062上对应设有多数喷口311。
射频电源301可以分别采用频率为27.12MHz和13.56MHz电源，两种电源都可以与等离子喷枪单独使用，在常压下可直接激发氩气形成稳定的冷氩等离子体。
上述第三实施例同样可使集中在一个较大的喷口的等离子体束流，分解为直径较小的等离子体束流向外喷出。该喷枪不但可大大提高了喷出束流的宽度，而且可以大大提高喷出束流的面积。
可以采用氩气或氦气作为载入工作气体，另外，可根据不同的需要，混合加入少量的反应气体或液体成份，如氧气，氮气，炭氟四，水等，所占总气体量的比例为5％以内。气体在放电区间被电离形成等离子体，然后通过喷口向外喷出带有大量活性原子和分子束流。根据需要选择放电时喷出等离子体的束流长度。
在放电功率大于300瓦时，应对两个电极采用水冷，例如在该内电极和外电极***分别设冷却循环水管。当放电功率小于300瓦时，没有必要使用水冷。
图4显示了氩氧放电和氦氧放电特性曲线，其中横坐标为时间，单位：纳秒；纵坐标左面为电压，单位：伏特，右面为电流，单位：安培；当放电功率都为150瓦时，气体总流量相同(为2立方米每小时)，反应气体氧气所占比例相等(为1％)。从图4我们明显的看出，在以氩气为主的放电电流曲线A1、放电电压曲线A2和以氦气为主的放电电流曲线H1、放电电压曲线H2明显不同，氩放电时的电流振幅接近氦放电时的两倍，而电压振幅略小，从所代表的电压波形看，其相位也是不同的。
图5为氩氧等离子体束流与氦氧等离子体束流的温度比较图，其中横坐标为与喷枪的喷口的距离，单位：毫米；纵坐标为摄氏温度，单位：度；当采用氩气作为载入工作气体时，喷出束流成份为氩原子，激发态的氩原子和电子以及所混入反应气体经过等离子体放电区域后的活性原子和分子。当放电功率为150瓦时氩氧束流温度小于150摄氏度；当采用氦气作为载入工作气体时，束流成份为氦原子，激发态的氦原子和电子以及所混入反应气体经过等离子体放电区域后的活性原子和分子，当放电功率为150瓦时，氦氧束流温度小于60摄氏度。当放电功率都为150瓦时，气体总流量相同(为2立方米每小时)，反应气体氧气所占比例相等(为1％)。从图5我们明显的看出，较黑线和较白线分别为氩氧放电和氦氧放电时所喷出束流的温度，比较两条曲线我们可以看出，在输入功率，气体总流量和反应气体氧所占的比例相同的条件下，氩氧束流的温度要明显比氦氧放电时高，因此，我们可以得到结论，用氩气作为载入气体时，其能量利用率将比用氦气时大大提高。
Claims (11)
1、一种常压射频冷等离子体***，包括喷枪、射频电源、供气源，其特征在于：该喷枪包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，于该外壳内设有内电极和包覆在该内电极***的外电极，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该内电极与外电极之间设有绝缘体，该内电极与外电极之间还设有放电区间，该放电区间一端与该喷口相通，另一端与进气导管相通，该进气导管与供气源连通，放电是在常压下进行的。
2、如权利要求1所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该射频电源是13.56MHz或27.12MHz的射频电源，该等离子体放电是在正常大气压下进行的，并且是低电压击穿，气体被击穿的均方根电压为100伏至200伏范围。
3、如权利要求1所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该喷枪的外壳与外电极设为一体。
4、如权利要求1所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该供气源所供气体是氩气或氦气。
5、如权利要求1所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该供气源所供气体是氩气或氦气与少量的反应气体或液体的混合气体。
6、如权利要求1所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该内电极和外电极***分别设有冷却循环水管。
7、一种常压射频冷等离子体喷枪，包括一外壳，该外壳一端封闭，另一端设有喷口，其特征在于：于该外壳内设有内电极和中空的外电极，外电极包覆在该内电极***，该内电极为圆锥形，其朝向外壳封闭端的一端的外径较大，朝向喷口的一端外径较小，该外电极的内腔具有与该内电极对应的形状，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该内电极与外电极之间位于外壳的封闭端处设有绝缘体，该内电极与外电极之间形成放电区间，该放电区间一端与该喷口相通，另一端与进气导管相通，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
8、一种常压射频冷等离子体喷枪，包括一外壳，其特征在于：于该外壳内设有内电极和外电极，外电极包覆在该内电极***，该内电极和该外电极均为中空的圆筒形，该内电极的内腔与进气导管连通，该内电极与外电极之间设有圆筒形绝缘体，该绝缘体设有一沿其轴向贯通的长条形贯通槽，该贯通槽形成放电区间，该内电极周壁上对应该贯通槽设有多数通气孔，该外电极周壁上设有多数对应该贯通槽的喷口，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
9、一种常压射频冷等离子体喷枪，包括一外壳，其特征在于：于该外壳内设有内电极和外电极，外电极包覆在该内电极***，该内电极与外电极之间设有绝缘体，该内电极包括互相连接的中空的小径段、过渡段及大径段，该小径段为外径较小的圆筒形，该过渡段为喇叭形，该大径段为外径较大的圆筒形，该大径段具有周壁和端壁，于该大径段的端壁上设有多数贯通孔，该小径段的内腔与进气导管连通，该外电极为圆筒形且具有与该内电极对应的周壁和端壁，该内电极与外电极之间设有绝缘体，该绝缘体在相对该内电极的端壁与该外电极的端壁之间设有一与上述贯通孔相对应的一通孔，该通孔形成放电区间，该外电极的端壁上对应设有多数喷口，该内电极与射频电源连接，该外电极接地，该进气导管通过减压阀与供气源连通。
10、如权利要求7或8或9所述的常压射频冷等离子体喷枪，其特征在于：该射频电源是13.56MHz或27.12MHz的射频电源，气体被击穿的均方根电压为100伏至200伏。
11、如权利要求9所述的常压射频冷等离子体***，其特征在于：该内电极和外电极***分别设有冷却循环水管。
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| CN1223241C (zh) | 2005-10-12 |
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