[发明专利]一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置

说明书

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，特别是涉及一种在多针-板式电极结构下利用双极性纳秒脉冲电源来驱动，在空气及混合气体中获得大面积低温均匀的介质阻挡放电等离子体技术。

技术背景

传统上，介质阻挡放电等离子体由交流电源驱动，在交流电源驱动下，介质阻挡放电等离子体在大气压空气中实现均匀、弥散放电的条件非常苛刻，容易转化为火花、弧光等放电模式，而且气体温度较高，能量利用率低，对材料表面损害严重，运行成本高等，这些放电的缺点使其在工业应用上受到极大的限制，严重地影响了其在工业上的应用。

而在纳秒脉冲放电中，由于纳秒脉冲具有陡峭脉冲电压上升沿和较短脉冲持续时间等特点，使电子在快速上升的电场中得到最大程度的加速，因此纳秒脉冲放电中电子的动力学特性与传统的交流放电存在较大的差别。在相同条件下纳秒脉冲放电可以获得更高的电子温度和能量利用效率。同时，较短的单次脉冲持续时间可以使放电在向局部热力学平衡态转变过程中将放电及时熄灭，利于控制放电的稳定性与非热力学平衡性，更易于在大气压空气中实现稳定的均匀放电，因此，纳秒脉冲放电等离子体具有高能电子密度大、平均电子能量高、产生化学活性粒子和VUV产生效率高等优点。同时采用多针-板式电极结构可以产生大面积的放电等离子体，通过结合纳秒脉冲放电和多针-板式电极结构的优点，可以在大气压下产生大面积均匀的低温放电等离子体，其在食品加工，材料表面处理、薄膜沉积、微生物诱变、饮用水灭菌、有毒有害气体脱除等方面有着重要的应用前景，备受国内外实验室重视。在多针-板式电极结构下利用双极性纳秒脉冲电源来驱动介质阻挡放电可以在空气及其他混合气体中获得大面积均匀放电的低温放电等离子体，在材料表面处理、薄膜沉积、微生物诱变、饮用水灭菌等领域都具有重要的商业价值和广阔的工业应用前景。

专利CN1927408A解决了在引入平行磁场的基础上，利用单极纳秒脉冲电源产生的介质阻挡放电等离子体去除有害气体，净化效率大幅度的提高。但存在的问题是（1）产生的等离子体是丝状放电；（2） 没有具体介绍等离子体特性的诊断方法；（3） 没有介绍在无外加磁场作用下产生的放电等离子体。专利CN1559651A和CN2500026Y解决了用脉冲电晕放电产生的等离子体净化有害气体，但存在的问题是电晕放电只发生在尖锐电极附近，仅在一个很薄的电晕层内产生强的电场，产生的平均电子能量在3 eV 左右, 由于它的平均电子能量低，放电等离子体体积小，放电强度较弱、电子密度较低，在放电空间产生的活性粒子和自由基的数目少，有效处理空间小，因此，这些严重的影响了等离子体对有害气体的净化效率，也使等离子体的实际应用范围受到了很大的限制。

发明内容

为了解决放电等离子体面积小，放电不均匀，能量利用率低以及缺乏对放电等离子体特性的实时诊断问题，本发明提供了一种获取大面积均匀放电等离子体的实验装置，由双极性纳秒脉冲电源、反应器、多针-板式电极、配气系统、光谱测量系统和放电测量系统组成。

双极性纳秒脉冲电源可以在正负方向上交替产生相同的窄脉冲电压波形；脉冲上升时间约为20 ns，脉宽约为60 ns，脉冲峰值电压0-60 kV, 脉冲重复频率0-400Hz范围内连续可调。

多针-板式电极由上电极、多针电极、板电极、下电极和介质片组成；上电极、多针电极、板电极和下电极皆由不锈钢材料制成；板电极为水平固定状态，并与下电极相连；下电极通过导线牢固接地；介质片覆盖在板电极的上表面；多针电极固定在上电极的下方，且针尖朝下；多针电极与介质片相对，形成放电间隙；多针电极的针尖距离介质片的间隙在0-30 mm范围内可调；上电极的另一端与双极性纳秒脉冲电源的输出端连接。

反应器是一个上顶面为绝缘材料，四周和底面为不锈钢制成的密封的圆柱形容器，多针-板式电极置于反应器的中央，上电极穿过反应器的绝缘顶面与双极性纳秒脉冲电源的输出端连接；下电极穿过反应器的下底面，并牢固接地；反应器侧面与放电间隙等高程处开有可供观察放电的圆形平光石英窗口，整个反应器气密性很好，且除石英窗口外，所有内壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱测量的影响；反应器侧壁安装有带有气阀的进气管路和出气管路。

配气系统将所用气体通过进气管路输入反应器中的放电间隙；多余的气体通过配气系统的出气管路排出。

光谱测量系统，通过安装在反应器的石英窗口实时收集多针-板式电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机进行光谱分析。

放电测量系统，实时收集双极性纳秒脉冲电源的放电电压和电流，并由数字示波器显示。