[发明专利]一种等离子体射流装置

权利要求书

1.一种等离子体射流装置，其特征在于：包括纳秒脉冲电源、毫秒脉冲电源、信号发生器、一对环形电极、拉瓦尔喷管、高压固态开关模块、电阻、电容、电感和供气模块；拉瓦尔喷管包括首尾依次连接的喷管收缩段、喷管喉部和喷管扩张段，一对环形电极固定在喷管喉部的内部，环形电极的表面与喷管喉部内壁之间留有空隙，环形电极的内壁带齿，且两个环形电极上的齿相互错开，其中一个环形电极的一端经串联的电容和电阻与纳秒脉冲电源的输出端电气连接，该环形电极的另一端经高压固态开关模块接地，另一个环形电极的一端经电感与毫秒脉冲电源的输出端电气连接，且连接纳秒脉冲电源的环形电极位于连接毫秒脉冲电源的环形电极沿喷气方向的下游，信号发生器的输出端分别与纳秒脉冲电源的触发信号端、毫秒脉冲电源的触发信号端以及高压固态开关模块的驱动信号端电气连接，供气模块提供的工作气体从喷管收缩段输入整个拉瓦尔喷管；信号发生器输出三路信号分别至纳秒脉冲电源、毫秒脉冲电源和高压固态开关模块，从而控制纳秒脉冲电源和毫秒脉冲电源的输出电压脉冲的时序以及高压固态开关模块的开断，当高压固态开关模块断开，纳秒脉冲电源向环形电极输出高压脉冲，实现工作气体的高密度电离，形成带导电的等离子体，经过微秒级延时后，纳秒脉冲电源关闭输出，高压固态开关模块闭合，毫秒脉冲电源向环形电极输出高压脉冲，实现工作气体的进一步电离和加热，随着工作气体不断输入拉瓦尔喷管，产生的等离子体跟随工作气体发生压缩和膨胀过程，实现等离子体射流。

2.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：拉瓦尔喷管的材质为陶瓷、石英或玻璃纤维；喷管喉部的直径为5-22mm，水平方向的长度为30-60mm；喷管收缩段的收缩角α为15～30°，水平方向的长度为50-200mm；喷管扩张段的扩张角β为3～6°，水平方向的长度为40-100mm。

3.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：环形电极的材质为金属钨、钛合金或不锈钢；环形电极的直径为3-20mm，长度为5-20mm，厚度为2-4mm；环形电极上相邻齿之间的间距为0.5-3mm，齿在环形电极长度方向的长度为4-15mm。

4.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：环形电极通过金属法兰固定在喷管喉部的内部。

5.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：供气模块包括气体源容器、气体导管和气体流量控制器，所述气体导管的一端与气体源容器相接，另一端伸入喷管收缩段内，气体流量控制器用于调节气体流量，气体流量的范围是10L/min～200L/min。

6.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：工作气体为空气、氦气、氩气或氮气。

7.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：纳秒脉冲电源输出的电压幅值为5～35kV，频率为0.1～30kHz，脉冲宽度为10-800ns，单脉冲能量为1-30mJ；毫秒脉冲电源输出的电压幅值为8-15kV，频率为0.05～1kHz，脉冲宽度为1-20ms，单脉冲能量为0.1-1J；信号发生器输出的脉冲频率为100Hz-10MHz，脉冲电平为4-10V，脉冲宽度为100ns-1s，带宽为100-500MHz。

8.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：电阻为高压无感电阻，阻值为50-100Ω，功率为50-500W；电容为高压无感电容，容值为0.1～10μF，耐压值为40kV；电感为高压电感，电感值为0.1-100mH,功率至少为500W。

9.根据权利要求1所述等离子体射流装置，其特征在于：高压固态开关模块包括IGBT开关及其驱动模块，所述IGBT开关的耐压值至少为10kV，最大允许电流有效值至少为20A，开断时间小于2μs。