[发明专利]一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置

说明书

技术领域

本发明属于气体放电与应用技术领域，涉及一种基于大气压介质阻挡放电的非平衡等离子体发生系统，尤其是一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置。

背景技术

介质阻挡放电是产生大气压非平衡等离子体最具可实现性的方法，在工业臭氧合成领域应用已有一百余年的历史。从原理结构上看，大气压介质阻挡放电可分为同轴圆管式和平行板式两种基本结构。目前，工业化应用中主要采用的是同轴圆管式结构，依据该结构原理构成的大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统常常由十至数百根1～1.5m长的放电管并联组成，采用一台频率为50Hz～数百Hz的中低频高压电源激励。由于不同放电管结构参数存在差异，放电管放电间隙宽度仅能在1.5～4mm范围内选择，很难实现小于1mm的窄间隙放电，放电区域的电离度和电离占空比很低，难以实现大气压强电场电离放电，其等离子体化学反应效能受到限制。另一方面，由于介质阻挡放电管具有容性负载特征，并联的放电管数量越多，放电装置的等效电容越大，对高频高压激励电源的要求越高，实现高频激励越困难。

平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置原理结构简单，可以采用介电性能和绝缘性能优良，纯度在96％～99％的α-AL₂O₃材料制作薄电介质层，能够采用数十kHz高频激励在放电间隙为0.25～0.64mm的窄间隙放电空间内实现大气压强电场电离放电。近期的研究成果显示，通过改进大气压平行板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置电极结构，将平行板电极改变为多针-板电极结构，在高电压激励下，可以将微辉光放电模式引入到大气压窄间隙介质阻挡放电中，提高了高能电子在时间和空间上的占有率，实现了基于微流注和微辉光两种电离模式的强电场电离放电，进而为等离子体化学反应提供了丰富的活性粒子，增强了等离子体化学反应效能。然而，尽管平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的放电性能优于同轴圆管式介质阻挡放电装置，尽管平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的反应气体通路长度远小于同轴圆管式介质阻挡放电装置，但它仍存在与同轴圆管式介质阻挡放电装置相同的缺陷，即存在影响放电性能的结构参数误差和容性负载特征，平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置尺度的增大和并联数量的增加同样会引起非平衡等离子体化学反应效能的劣化。

根据介质阻挡放电的原理结构，大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置无论是工作在微流注放电模式还是工作在微辉光放电模式，对于激励电源来说都属于阻容性负载，正常工作状态下都存在一个等效电容C，该电容能够和高频高压变压器的漏感L_s产生谐振，其固有谐振频率为f₀。因此，对于一个确定的大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统，必然存在一个固有的谐振频率f₀，当大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统的最佳激励频率小于f₀时，大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的等离子体化学反应性能能够得到充分的发挥，反之则出现劣化，激励频率越高，劣化现象越严重。大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的结构尺度越大，放电单元并联数量越多，等效电容越大，谐振频率越小，大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的工作频率就会受到限制，难以保持非平衡等离子体发生装置放电性能的稳定和提高。目前，用于非平衡等离子体化学反应的介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的最佳激励频率通常高于数十kHz，而这种激励频率只能在较小尺度的介质阻挡放电装置上实现，在超大尺度的介质阻挡放电装置上最高仅能工作在数百Hz。产生这种状况的原因可以归结为两个方面，一是产生数十kHz的低漏感高频率高电压的大功率变压器在制造技术上存在困难，价格也非常昂贵；二是介质阻挡放电装置尺度的加大或放电单元并联数量增多其等效电容会随之增加，致使放电装置的固有谐振频率很低。而大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统的未来发展趋势之一就是实现气态物质的规模化活化或转化，实现在高级氧化技术(AOT)、海洋环境污染防治等领域的应用，这就需要有适宜的非平衡等离子体发生体系与之相适应。