[发明专利]大气压气体放电均匀化的调制方法和装置

说明书

本发明涉及大气压气体均匀放电技术领域，提供一种大气压气体放电均匀化的调制方法和装置。所述方法包括：利用交流电源驱动气体放电，并调节所述交流电源的参数对所述气体放电进行均匀化；和/或，利用脉冲电源驱动气体放电，并调节所述脉冲电源的参数对所述气体放电进行均匀化。本发明在掌握产生非均匀气体放电的主导因素与内在机理的基础上，在介质阻挡放电的形式下通过适当调节交流或脉冲电源的方式消除放电非均匀性，实现大气压气体放电均匀化，方法简单，成本低。

技术领域

本发明涉及大气压气体均匀放电技术领域，尤其涉及一种大气压气体放电均匀化的调制方法和装置。

背景技术

大气压气体放电是在大气压的环境下，利用高压电源驱动间隔一定气隙间距的电极，当电压达到一定阈值时，会使气体进行击穿放电并产生等离子体。气体放电与等离子体已有几十年的理论与应用研究历史，具有非常广泛的应用价值，例如动力推进、除尘杀菌、微波材料、材料表面处理、镀膜、显示器、光源、臭氧生成等等。

在诸多气体放电形式中，介质阻挡放电是应用价值较为突出的一种。该种放电的典型发生装置如图2和图3所示，图中对称的部分是两个水电极，具体为：用两片玻璃板以硅胶粘接的方式对透明有机玻璃圆筒进行封装，圆筒上部钻一小孔，将提前放入筒中的金属环通过小孔引出与电源相连，并通过小孔将筒内注满水，图中间是一个玻璃边框，玻璃边框中间部分被挖空，中空部分即为放电空间，对装置施加高压并达到击穿阈值，即可形成气体放电。电极与介质板也可采用ITO(氧化铟锡)透明导电玻璃，即在普通玻璃板的一面镀上一层ITO透明导电薄膜。采用透明导线材料与透明介质板的主要原因是为了研究者可以在电极的侧端面观察到放电现象，由于电极与介质板的透明性，可以从电极端面对放电情况进行观测。

进一步地，气体电离产生的空间电荷在电场作用下向两极移动并沉积于玻璃板表面，形成壁电荷，壁电荷产生的内建电场与外加电场反向，当反向的内建电场增大到一定程度时，合电场会降至击穿阈值以下，进而使放电熄灭。正因如此，介质阻挡放电无法以直流电驱动，而必须是交流或脉冲电源驱动。在交流电驱动下，到了下一个半周期，外加电场转换方向，与壁电荷电场同向并逐渐增大，又会重新达到气体击穿阈值，再次激发放电，如图3给出了单次放电前后外加电压与壁电荷的示意图。一方面，壁电荷在每次放电前对气隙电压有加成，从而降低放电所需的外加电压，从技术研发与产品研制角度讲，可以降低能耗；另一方面，这种放电属于间歇性放电，较之直流驱动下的连续性放电，产热量要低得多，人员、设备的安全性以及降低能耗两方面均可得到保障，这也是介质阻挡放电被广泛应用的主要原因。

介质阻挡放电在不同条件下也会呈现不同的放电模式(或击穿机理与放电发展过程)，主要由pd值(气压p与放电间隙d的乘积)决定，分为汤森、辉光、流光三种模式。一般地，辉光放电产生的pd值小于十几或小于几十torr cm(具体数值取决于放电气体种类)，汤森放电形成于更低的pd值下，而流光放电则形成于更高的pd值下。在放电形态上，汤森模式为发光非常微弱的均匀态弱放电；辉光模式较之汤森模式放电强度更强，发光也更强，一般为均匀态放电，但在特定条件下，也会形成非均匀放电，但非均匀程度较弱；流光模式不存在均匀态，在放电空间中会形成许多明亮的放电细丝，并且这些放电丝在一定的自组织机制下还可以形成规则排列的图案，我们称为斑图。三者之中，流光模式放电强度最强、发光最为明亮，非均匀程度也是最为明显的，图4给出了三种模式下均匀态与非均匀态放电的示例图片，从左至右依次为均匀态汤森弱放电、辉光均匀放电、辉光非均匀放电、流光斑图放电。

在气体放电等离子体技术的实际应用层面，均匀放电的应用性较之非均匀放电要宽泛许多。例如，均匀放电的等离子体除尘灭菌效率以及材料表面处理效率要比非均匀放电高出许多，还有镀膜、制作光源等应用本身就对均匀性提出了很高的要求。然而，在实际情况中，放电极易受到空间局域扰动(如电极表面平整度不够完美、有杂质颗粒悬浮于空间或附着于介质表面、空间电荷在局部空间的瞬态积聚等)而呈现非均匀态。由于需要很低的pd值，较为完美的均匀放电很难实现，而且即便实现了，也很难投入应用，具体有以下几方面原因：