[发明专利]预电离大气压低温等离子体射流发生器

说明书

技术领域

本发明属于等离子体放电反应器技术领域，涉及一种预电离结构的大气压低温等离子体射流发生装置。

背景技术

低温等离子体空间富集的离子、电子、激发态原子、分子及自由基都是极活泼的反应性物种，这些活性粒子数量大、种类多、活性高，易于和所接触的材料表面发生反应，因此近年来，低温等离子体在灭菌消毒、表面改性(改善纸张、薄膜、纺织品以及纤维的可湿性、吸水性、印染性、粘着性和导电性等方面的性质)、薄膜沉积、刻蚀加工、器件清洗等领域得到越来越广泛的应用。目前，多数低温等离子体是在几百帕的低气压下通过气体放电产生的，但对于大规模工业生产，低气压等离子体存在两个重要缺点：(1)放电和反应室处于低气压状态，需采用真空系统，投资高且应用复杂。(2)分批处理效率低，需要不断地打开真空室取出成品添加试品，然后重新抽真空充入工作气体，难于连续生产。因此，更适合用于大规模低温生产应用的是大气压下形成的低温等离子体。

大气压低温等离子体射流是近年来兴起的一种新型大气压类辉光等离子体发生技术，这种技术可以将微小空间内的放电加以扩大并引出，形成较为开阔的大气压类辉光放电等离子体。应用多种工作气体及其混合气体都可以有效地产生冷等离子体射流，具有击穿电压较低、离子和亚稳态分子浓度较高、电子温度高、中性分子温度低、产生的等离子体中均匀部分较大、可控性好等特点，是目前国际上等离子体应用领域的研究热点。传统大气压低温等离子体射流装置通常工作在He、Ar、O₂等气体与气体混合中，为了得到高的处理效率，希望射流产生的化学活性成分浓度越高越好，但在射流中加入过多的O₂会导致放电击穿与维持电压升高，放电容易不稳定，从而过渡到弧放电，所以极大限制了处理效率。

发明内容

本发明旨在提供一种预电离大气压低温等离子体射流发生器，主要通过预电离方式降低O₂放电的击穿与维持电压，从而提高射流中的O₂流量，获得高化学活性的大气压低温等离子体射流。

本发明的技术方案是：以Ar、O₂混合气体为工作气体，可在常压开放空气环境中获得均匀稳定的大气压辉光放电低温等离子体射流。该装置的主体部分是一根下端开放的毫米量级主石英管，规格为长120mm，内径5.0mm，外径7.0mm，在石英管开口端上部15-25mm处有一变经，在20mm处变为最细，内经3.0mm，外经4.0mm；另一端封闭并在内部安装一细的石英管，规格为长95mm，内径2.0mm，外径3.0mm；在细石英管内部再接一用于预电离放电的针头，规格为长45mm，内径0.5mm，外径1.0mm。在针头内部通入Ar气，气体流量可在0.08-0.4m³/h之间变化。在主石英管封闭端下方30mm处侧部有一进气口，在这里通入O₂，流量可在0.08-0.13m³/h之间变化。在距主石英管开口端上方20mm变经处缠绕一金属环，这一金属环与针头都接电源的高压输出端，是高压电极。距主石英管开口端下方15mm处有一金属电极，这一电极是接地电极，其上部表面被一绝缘介质所覆盖。通过施加交流电压，针电极作为单电极放电可以产生放电等离子体，然后该放电等离子体在Ar气流的吹动下沿着细石英管内部迁移，到达细石英管下方开口处并射出，同时也到达环状电极与地电极之间的主石英管放电区，为此区域放电提供种子电子。通过调节外加电压及工作Ar、O₂气体流量，可在环状电极与接地电极之间获得均匀稳定的大气压辉光放电低温等离子体射流。

本发明的效果和益处在于：利用单针管放电作为预电离技术，使环状电极与地电极之间的主放电的击穿与维持电压都大大降低，有利于稳定的氧气放电的产生与维持，所以可以有效提高放电中的氧气流量，产生高浓度氧原子，从而提高处理效率。本发生器产生的放电等离子体射流具有温度适中、放电功率大、放电稳定、O活性成分浓度高、连续工作时间长等优点。

附图说明

附图是预电离结构的大气压低温等离子体射流发生器的结构示意图。

图中：

101.流量计，用于控制输入针电极的Ar工作气体流量。

102.流量计，用于控制输入环状电极的O₂工作气体流量。

103.针电极，产生预电离放电等离子体。

104.细石英玻璃管，针电极产生的放电等离子体沿着此石英管进行迁移并到达主石英管变经处，为主放电提供种子电子。