CN1708204A - 电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置。其特征是，该装置由电源、串联耦合电容或同时串联耦合电容、电阻、电感的电极、电源和电极之间稳定和控制放电的匹配网络、电极间工作介质(气体、液体或气液两相介质)组成。在电源作用下，电极间工作介质中发生放电，在匹配网络和耦合电容或耦合电容与串联电阻、电感的调节下，产生大气压辉光放电等离子体。本发明的效果和益处是，可以用于等离子体物理及化学领域，例如材料处理及制备、有害气体净化及臭氧发生器、消毒、放电光源、飞行器隐身等技术领域。

Description

电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置

技术领域

本发明属于低温等离子体物理及化学技术领域，特别涉及到一种电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置。

背景技术

非平衡等离子体，又称为低温等离子体、冷等离子体，是由电子、离子、活性粒子、分子和自由基等粒子组成的部分电离气体。其中电子温度很高(能量在10ev左右)，离子温度接近常温。在非平衡等离子体状态下，许多通常不能发生，或者需要极其苛刻条件的化学反应，在常温常压和无催化剂的条件下都可以发生。非平衡等离子体已经广泛应用于静电除尘、臭氧发生器、有害气体净化、水处理、材料表面处理、杀菌消毒等领域。其传统的生成方法主要是电晕放电和介质阻挡放电。但电晕放电生成的等离子体集中在电极附近，等效折合电场小，活性粒子浓度低，且不均匀。介质阻挡放电特征是，电极间距小，电极间有绝缘介质，限制放电发展，形成许多微放电，即流注。微放电中的电荷积累在介质表面形成强的反向电场，熄灭放电。但其功率很小，热耗大，微放电中电流密度很高，温度高，在处理材料时容易烧坏材料。在大气压下，电晕放电和介质阻挡放电都不是理想的等离子体产生方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置，解决传统技术产生的大气压下等离子体规模小、不均匀、稳定性差等问题。本发明装置可在大气压下产生大规模、高密度、均匀、稳定的辉光放电等离子体，可广泛用于材料处理、臭氧发生器、有害气体净化等物理与化学技术领域。

本发明的技术方案是：一种电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置，由电源、串联耦合电容或同时串联耦合电容、电阻、电感的电极、电源和电极之间稳定和控制放电的匹配网络、电极间工作介质(大气压下空气、氧气、氮气、氦气、氩气、氢气、二氧化碳气体、水蒸气、气态化工原料或上述气体的混合物、水溶液、添加电解质的水溶液、电解液、液态化工原料或气液两相介质)组成。在电源作用下，电极间工作介质中发生放电，在匹配网络和耦合电容或耦合电容与串联电阻、电感调节下，产生大气压辉光放电等离子体。

本发明的理论依据是，等离子体放电是一个正反馈过程：随着放电的发展，由于电子雪崩，引起电流增加，产生大量热量，使通道电阻减小，当电压不变时，根据欧姆定律，电阻的降低又会使电流增加，产生更多的电离现象，从而形成正反馈过程，使放电电流迅速增加。另外，在工作介质被击穿前后，回路阻抗变化很大，会引起回路的振荡，最终影响到等离子体的不稳定。在上述因素的影响下，放电很容易过渡到弧光状态。为产生大规模、均匀稳定的等离子体，必须有效控制放电的发展进程，控制电流的增长速度。

本发明提出的电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置，引入耦合电容或耦合电容与串联的电阻、电感和匹配网络，提高放电的稳定性。在耦合电容或耦合电容与串联的电阻、电感作用下，放电中的电流为电容充电，电荷积累在电极表面形成随放电发展逐渐增强的反向电场，削弱了促进电离的正向电场，使放电熄灭，从而限制了电流密度的增长速度。合理调整放电回路的耦合电容或耦合电容与串联的电阻、电感的数值大小和匹配网络，能控制放电能量和放电发展进程，消除***的不稳定性对放电的不利影响，防止放电过渡到弧光状态，产生大气压辉光放电。

本发明的效果和益处是，本发明提出的电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置，能克服传统的电晕放电、介质阻挡放电的缺点，准确控制放电发展过程，提高放电功率，改善放电的均匀性和稳定性。可以高效率产生大规模、均匀稳定的大气压辉光放电等离子体。该装置可以广泛用于等离子体物理及化学技术领域，例如，飞行器隐身、放电光源、材料处理及制备、有害气体净化及臭氧发生器、消毒等领域。

附图说明

图1是电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置示意图。

图中：1高压电源，2匹配网络，3耦合电容，4等离子体发生器，5高压电极，6低压电极。

图2是大气压辉光放电电压-电流波形图。

图3是电晕放电电压-电流波形图。

图4是电晕放电图像。

图5是电压较低时大气压辉光放电图像

图6是电压较高时大气压辉光放电图像

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1所示，工频50Hz高压电源1，输出电压0～15kV，功率500W；匹配网络2，用于调节电源和发生器之间的匹配，稳定和控制放电；耦合电容3，数值30pF，；等离子体发生器4，里面是静态大气压空气；高压电极5，为电阻性单针铜电极，电阻值10兆欧姆；低压电极6，为电阻性单针铜电极，电阻值10兆欧姆。电极间距2mm。大气压下静态空气作为放电介质。当电压增加到5kV时发生放电。图2是大气压辉光放电电压-电流波形。此时所加电压6.3kV。电流波形中，第一个大的尖峰是电路中耦合电容充放电造成的，在未发生等离子体放电时也有。第二个较小的尖峰是典型的辉光放电产生的。图3是电晕放电电压-电流波形图，由大量微放电细丝状流注组成。可见，二者在波形上明显不同，辉光放电呈现出明显的峰，而电晕放电由大量短脉冲组成。

实施例2

如图1所示，高频电源1，工作频率10kHz，输出电压0～20kV，功率1kW；匹配网络2；耦合电容3，数值30pF；等离子体发生器4，里面是静态大气压空气；高压电极5，为电阻性单针铜电极，电阻值为0.25兆欧姆；低压电极6，为电阻性单针铜电极，电阻值为0.25兆欧姆。图4是外加电压5.4kV，电源频率10kHz，电极间距2mm时电晕放电图像；图5是外加电压增加到6.3kV时辉光放电图像；图6是外加电压增加到7.8kV时辉光放电图像。

Claims (2)

1.一种电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置，其特征是，电极(5)、电极(6)同电源之间分别串联耦合电容(3)或同时串联耦合电容(3)、电阻、电感；电源(1)和电极(5)、电极(6)之间设有匹配网络(2)；高压电源(1)采用直流电源、工频交流电源、高频交流电源、脉冲电源、直流叠加交流或直流叠加脉冲电源；电极(5)、电极(6)采用金属电极或电极间有绝缘介质或催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置，其特征是，工作介质采用大气压下空气、氧气、氮气、氦气、氩气、氢气、二氧化碳气体、水蒸气、气态化工原料或上述气体的混合物、水溶液、添加电解质的水溶液、电解液、液态化工原料或气液两相介质。

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