一种产生片状等离子体羽的装置及方法与流程

本发明涉及一种低温等离子体技术，具体地说是一种利用横向气流扩展射流横截面积产生片状等离子体羽的装置及方法。

背景技术

等离子体射流利用气流和电场的作用使得放电区域产生的等离子体从喷管或喷口喷出，实现了放电区域和工作区域的分离。大气压等离子体射流产生的等离子体羽富含多种活性粒子，如 OH 自由基、O3、处于激发态的N2等；还有大量高能粒子（如电子）及紫外线。这些活性粒子、高能粒子及紫外线在许多领域具有十分重要的作用，如材料处理、元素探测、废水净化、癌症治疗及牙齿美白等。

大尺度的均匀等离子体羽会大幅度提高工作效率、优化处理效果，具有更大的商业需求。在大气压氦气中，利用单电极等离子体射流，在正弦激励下产生了长11 cm的均匀等离子体羽（见公开文献Applied Physics Letters, 2008, 92: 081502)。在大气压氩气中，利用高压脉冲电压激励介质阻挡放电射流，产生了长度约为6 cm的均匀等离子体羽(见公开文献Nanoscale Research Letters, 2014, 9: 697）。这些等离子体较长，有利于处理复杂的三维物体，但直径只有亚毫米量级，等离子体的横截面积较小，限制了等离子体射流用于大面积材料处理的工作效率。

对于等离子体羽的横截面积，在专利文件CN20140780621.6公开了一种产生连续低温大截面大气压等离子体羽的装置及方法，所产生的等离子体羽的最大截面为38 mm²。等离子体羽的截面积还是没有数量级上的突破。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种产生片状等离子体羽的装置及方法，以解决等离子体射流横截面积较小的问题。

本发明是这样实现的：一种产生片状等离子体羽的装置，包括矩形介质气道和针电极；所述矩形介质气道水平设置，其一端敞开，另一端设有进气口，供气管路连接在气源与所述矩形介质气道的进气口之间，在所述供气管路上接有气压表和流量计；所述针电极直立设置在所述矩形介质气道的敞开端外侧的下方，并与高压交流电源电连接。

所述气源为储气罐，在所述储气罐上接有气阀。

所述针电极与所述矩形介质气道所在平面相垂直。

本发明还可这样实现：一种产生片状等离子体羽的方法，包括以下步骤：

a、设置上述的产生片状等离子体羽的装置；

b、打开高压交交流电源的开关，向针电极上施加高压交流电压，从而在针电极前端产生空气等离子体射流；

c、打开储气罐的气阀，使工作气体通过供气管路通入矩形介质气道内，并在矩形介质气道的敞开端喷出横向气流，该横向气流扩展了空气等离子体射流的横截面积，在空气等离子体射流与横向气流的相互作用下，使放电沿气流传播从而形成片状等离子体羽。

本发明通过在针电极上施加高压交流电压，产生等离子体射流，垂直于等离子体射流放置矩形介质气道，在气道下游的开放环境产生片状等离子体羽，扩展了等离子体射流的横截面积。之后逐渐增加交流电压幅值，使得片状等离子体羽亮度增加且均匀性变好。本发明所产生的片状等离子体羽极大地扩展了空气等离子体射流的横截面积，提高了处理速度和效率，适于应用在表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等行业。

本发明结构简单，操作方便，价格低廉，装置设置于开放的大气环境中，摆脱了昂贵的真空装置，便于实现对大面积材料的快速处理。

附图说明

图1是本发明产生片状等离子体羽装置的结构示意图。

图2是交流电压峰值为18 kV时本发明产生片状等离子体羽装置所产生的放电照片。

图3是交流电压峰值为20 kV的本发明产生片状等离子体羽装置所产生的放电照片。

图4是交流电压峰值为18 kV时的电压波形和等离子体羽的发光信号波形图。

图5是交流电压峰值为20 kV时的电压波形和等离子体羽的发光信号波形图。

其中：1、储气罐；2、气阀；3、供气管路；4、气压表；5、流量计；6、矩形介质气道；7、针电极；8、高压交流电源。

具体实施方式

如图1所示，本发明产生片状等离子体羽的装置，包括矩形介质气道6和针电极7；矩形介质气道6水平设置，其一端敞开，另一端设有进气口。供气管路3的一端连接在储气罐1上，另一端连接在矩形介质气道6的进气口上。在储气罐1上接有气阀2。在供气管路3上接有气压表4和流量计5。针电极7直立设置在矩形介质气道6的敞开端外侧的下方，并与高压交流电源8电连接。针电极7与矩形介质气道6所在平面相垂直。

本发明产生片状等离子体羽的方法包括以下步骤：

1、设置上述的产生片状等离子体羽的装置；

2、打开高压交交流电源8的开关，向针电极7上施加高压交流电压，从而在针电极7的前端产生空气等离子体射流；

3、打开储气罐1的气阀2，使工作气体通过供气管路3通入矩形介质气道6内，并在矩形介质气道6的敞开端喷出横向气流，该横向气流扩展了空气等离子体射流的横截面积，在空气等离子体射流与横向气流的相互作用下，使放电沿气流传播从而形成片状等离子体羽。

4、逐渐增加高压交流电源输出的交流电压幅值，可增加片状等离子体羽的亮度，并使片状等离子体羽的均匀性均变好。

利用实施例所述的装置来扩展射流的横截面积，产生片状等离子体羽。具体操作步骤如下：首先按照图1所示设置并连接各部件，打开高压交流电源8开关，调节高压交流电源8的输出电压峰值到18 kV，针电极下游会产生等离子体射流，之后打开供气管路上的气阀2，使得气瓶1中的气体通过矩形介质气道6喷出，此时等离子体射流的横截面积增大，矩形介质气道6下游会产生片状等离子体羽。

如图2所示，当高压交交流电源8输出的交流电压峰值达到18kV时，矩形介质气道6的下游会产生片状等离子体羽，等离子体射流的截面积增大。如图3所示，继续增大高压交交流电源8输出的交流电压峰值至20 kV，则片状等离子体羽会变亮，均匀性变好。

当交流电压峰值从18 kV增加到20kV时，连接光电倍增管和示波器，利用示波器对针电极7上施加的电压和片状等离子体羽的发光信号进行监测和记录，图4、图5分别为交流电压为18 kV、20 kV时对应的电压及光信号波形。在图4中，每个电压正半周期有一个窄放电脉冲，在电压负半周期则不存在放电脉冲；而在图5中，每个电压周期的正、负半周期均存在一个宽放电脉冲，由此使得所产生的片状等离子体羽的亮度增加、均匀性更好。

技术特征：

1.一种产生片状等离子体羽的装置，其特征是，包括矩形介质气道和针电极；所述矩形介质气道水平设置，其一端敞开，另一端设有进气口，供气管路连接在气源与所述矩形介质气道的进气口之间，在所述供气管路上接有气压表和流量计；所述针电极直立设置在所述矩形介质气道的敞开端外侧的下方，并与高压交流电源电连接。

2.根据权利要求1所述的产生片状等离子体羽的装置，其特征是，所述气源为储气罐，在所述储气罐上接有气阀。

3.根据权利要求1所述的产生片状等离子体羽的装置，其特征是，所述针电极与所述矩形介质气道所在平面相垂直。

4.一种产生片状等离子体羽的方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置权利要求1—3任一权利要求所述的产生片状等离子体羽的装置；

b、打开高压交交流电源的开关，向针电极上施加高压交流电压，从而在针电极前端产生空气等离子体射流；

c、打开储气罐的气阀，使工作气体通过供气管路通入矩形介质气道内，并在矩形介质气道的敞开端喷出横向气流，该横向气流扩展了空气等离子体射流的横截面积，在空气等离子体射流与横向气流的相互作用下，使放电沿气流传播从而形成片状等离子体羽。

5.根据权利要求4所述的产生片状等离子体羽的装置及方法，其特征是，逐渐增加高压交流电源输出的交流电压幅值，片状等离子体羽的亮度和均匀性均有增加。

技术总结
本发明提供了一种产生片状等离子体羽的装置及方法。所述装置包括矩形介质气道和针电极；所述矩形介质气道的一端敞开，另一端设有进气口，供气管路连接在气源与所述矩形介质气道的进气口之间，在所述供气管路上接有气压表和流量计；所述针电极设置在所述矩形介质气道的敞开端的斜下方，并与高压交流电源电连接。通过在针电极上施加高压交流电压，产生空气等离子体射流，垂直于空气等离子体射流放置的矩形介质气道，在气道下游的开放环境产生片状等离子体羽，扩展了空气等离子体射流的横截面积。本发明适用于表面处理、废水净化、杀菌消毒、元素探测、飞行器减阻、航空器隐身等领域。

技术研发人员：贾鹏英;吴凯玥;张芙蓉;李雪辰;
受保护的技术使用者：河北大学;
技术研发日：2021.09.18
技术公布日：2022.01.21