用于生成大气等离子体射流的方法以及大气等离子体小型火炬设备技术

本文描述了一种用于在大气压、低温条件下生成等离子体的方法和设备。所述的用于生成等离子体的设备包括：第一电极对，第一电极对的每个被介电层分开并相对于其中气体流动的管状管道定位在外部，以及第二电极对，同样在该情况下，第二电极对的每个被介电层分开并相对于所述管状管道定位在外部，其中，相同气体相对流动的方向相对于第一电极对向下游流动。高频激励被施加到第一电极对而射频激励被施加到第二电极对。以这种方式所生成的等离子体源于传输管道的出口处的气流。高频激励可在脉冲序列中施加并且射频发生器基本上在所述脉冲序列中被激活，以用于限制所处理的基板上的热负荷的目的。可通过与用于气体的管状管道同轴的中央传输管道将化学前体和试剂添加到等离子体作为蒸汽或悬浮气体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于生成等离子体的方法和设备。具体地，本专利技术涉及用于以低功率和低温生成大气等离子体的创新方法，能够手动使用的设备的设计以及它的通过将前体引入通道处理表面以及表面涂层的沉积的用途，该通道位于具有等离子体的管道的内侧并且相对于具有等离子体的管道同轴。
技术介绍
在相对于大气等离子体的技术的范围内，已经开发了用于从高功率表面处理到低功率、低温应用的各种用途的众多的解决方案。在第一种情况下，在大气压力下工作的源基于电弧放电，并产生具有远高于几千开氏度的温度的所谓的热等离子体。然而，为了获得冷大气等离子体，必须避免向电弧放电的过渡，并且因此，在生成等离子体的过程中必须使用更简短的功率脉冲。近年来，开发了具有不同功率发生器的和几何形状的各种源，使得出现了各种原创设计，例如那些在文章C.Tendero，C.Tixier，P.Tristant，J.Desmaison和P.Leprince；SpectrochimicaActa B部分61(2006)2-30；X.Lu,M.Laroussi和V.Puech：Plasma Sources Sci.Technol21(2012)034005(17页)；G.Y.Park等人：Plasma Sources Sci.Technol，21(2012)043001中所描述的设计。可基于它们的激励机制将大气等离子体的源分成三个主要的组：具有低频的DC(直流)等离子体、在射频下被撞击的等离子体以及由微波发生器撞击的等离子体。小型化这些等离子体的系统的趋势对于创建具有能够降低仪器和运行成本的低功率的便携式系统的目的是很重要的。例如，在S.D.Anghel，A.Simon，A.I.Radu以及I.J.Hidi；Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.B
267(2009)430-433页的文章中可以找到这些系统的简单的概括介绍。在文献中，可发现具有低功率和非常低的功率的多种类型的大气等离子体可用于生物医学、环境和技术的应用。这些应用中最重要的有以下几点：等离子体针、等离子体铅笔、微型脉冲辉光放电火炬、露天中空槽微型等离子体，以及大气压等离子体(微)射流。例如，在S.D.Anghel等人的文章中所描述的，不同类型的等离子体射流具有以下应用：表面改性、薄膜沉积、聚合物纤维的灭菌或表面改性。所有这些用于等离子体射流的不同的模型和技术具有如下目的：找到在不引起加热的情况下增大接近于表面的气体中的活性物质的数量的最佳办法。Koinuma等人的美国专利号US 5,198,724描述了由高频发生器供给的金属电极功率和同心电极功率构成的等离子体源。在该设备中，等离子体与金属电极直接接触，并且可包括由于表面的微量熔化而排放的金属颗粒，因此污染了所处理的基板。如果使用射频发生器，仍然会观察到中央电极的过热，并且需要高压或者有限的大小以撞击存在于含氧气体内的等离子体。Fornsel等人的专利(等离子体处理)WO 2008/074604、美国专利号6,265,690以及美国专利号6,800,336描述了在弧型的高频下工作的设备，具有旋转的气流的轴承电流流入喷嘴的通道。具有低蚀刻阴极的等离子体射流非常稳定，但是气体温度通常在数百摄氏度的量级。美国专利号US 6,943,316描述了凭借通过处理气体中的放电产生的等离子体生成化学活性射流(活性气体射流)的系统。本专利技术着重于喷嘴的设计。作者详尽描述了通过更改喷嘴的几何形状，具体地通过使用会聚/发散喷嘴来增大排出气体的速度的可能性。尽管如此，在本专利技术中，可由在高频或者射频下工作的单个电极对获得的传统放电来生成等离子体。这种解决方案的缺点是使中央电极过热并且由于形成电弧造成其蚀刻，结果是将待处理表面上的金属材料沉积。在Kogelschatz等人的“Filamentary patterned and diffuse barrierdischarge”(Kogelschatz等人，IEEE等离子体科学学报，第30卷第1400
页(2002))和Roth等人的美国专利号5,414,324和6,676,802描述了生成并使用的绝缘阻挡放电(DBD)型的大气等离子体。目前DBD的缺点之一是活性物质的密度相对较低。因此，为了以工业上可接受的次数和模式进行表面处理，需要在两个正在放电的电极之间放置待处理的对象，因此限制了待处理对象的类型和几何形状。Taguchi等人的美国专利号6,465,964描述了通过使用支撑电极接通设备(撞击等离子体)而无需使用昂贵的阻抗适配系统的能够生成大气等离子体的系统，该系统具有良好的可靠性。该设备包括用于生成等离子体的具有开口的腔室，等离子体可从该开口流出，还包括处理气体、单个电极对、交流发生器和用于生成等离子体的脉冲发生器。在该设备中必须交替使用者两种不同的发生器，一个用于撞击放电，第二个用于维持等离子体。Penelon等人的美国专利号US2006/0156983描述了用于射频生成等离子体的系统和相关设备，其中，电极面对并置于以介电材料制成的管道外部。在这种构造中，当电极被双绝缘体屏障分隔时，不存在中央电极。在这个系统中，需要获得高RF电压用于允许撞击，尤其是在存在氧气的大气中。出于这个原因，必须限制电极之间的间距。例如，为了增大等离子体区域的大小，在Hicks的US 8,267,884和Babayan的US 8,328,982中考虑并提出了其它的解决方法。源包括用于通过在接地电极之后的等离子体的出口处加入前体流进行沉积的设备。Rego等人的欧洲专利EP 1,844,635描述了用于通过提供中央电极和DBD同轴系统的结构生成等离子体的系统。反向电极中的绝缘体的具体定位和设计使得该设备防止形成电弧并随后防止污染待处理的材料。最近表明在众多大气等离子体设备中使用双频率的等离子体是具有有益效果的。例如，在Z.Cao等人的“A cold atmospheric pressure plasma jetcontrolled with spatially separated dual-frequency excitations”(在Z.CaoJ.Phys.D：ApplPhys 42(2009)222003中所描述的)中，设备是由具有以5.5MHz极化的中央电极的石英管组合空间上与第一激励分离的30Khz的第二激励构成的。反向电极由位于待处理的基板的一般位置的气体的出口处的板所表示。在该设备中，与非脉冲AC激励的组合旨在增大提取等离
子体的效率，同时维持低的气体温度。然而，这种系统具有沿着反向电极板的中央电极，其表示从使用这种类型设备的大容量和通用性的角度的大的局限性。在Pei-Si Le等的“Characteristics of kilohertz-iginited,radio-frequency atmospheric-pressure dielectric barrier discharges in argon”(Pei-Si Le等在Appl Phys Lett 95(2009)201501中所描述的)也说明了使用具有双频率的设备。在该设备中，在DBD结构中使用了两个电极对；尽管如此，在生成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生大气等离子体射流的方法，所述方法包括：在大气压下使在流动方向(202，402，502)前进的处理气体流过由介电材料制成的管状管道(201，401，501)，所述管状管道具有入口部分和出口部分(207，410)；定位与所述管状管道(201，401，501)的外表面接触的第一同轴电极对(203‑204，307‑308，404‑405，503‑504)以及第二同轴电极对(205‑206，309‑310，406‑407，505‑506)；所述第一电极对(203‑204，307‑308，404‑405，503‑504)相对于所述处理气体在所述管状管道内的流动方向(202，402，502)被定位在所述第二电极对(205‑206，309‑310，406‑407，505‑506)的上游的位置处、并且所述第一电极被连接到高频发生器(208，301)；所述第二电极对(205‑206，309‑310，406‑407，505‑506)被连接到射频发生器(209，303)；所述高频发生器(208，301)在所述管状管道(201，401，501)内生成丝状等离子体，所述丝状等离子体至少延伸到所述第二电极对(205‑206，309‑310，406‑407，505‑506)；所述射频发生器(209，303)生成第二RF等离子体；使所述RF等离子体和所述丝状等离子体通过所述出口部分(207，410)流出到所述管状管道(201，401，501)的外部，在出口处的这样的等离子体包括在所述出口处具有不高于约100℃的温度的至少一种中性气体。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.14 IT PD2013A0003101.一种用于产生大气等离子体射流的方法，所述方法包括：在大气压下使在流动方向(202，402，502)前进的处理气体流过由介电材料制成的管状管道(201，401，501)，所述管状管道具有入口部分和出口部分(207，410)；定位与所述管状管道(201，401，501)的外表面接触的第一同轴电极对(203-204，307-308，404-405，503-504)以及第二同轴电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)；所述第一电极对(203-204，307-308，404-405，503-504)相对于所述处理气体在所述管状管道内的流动方向(202，402，502)被定位在所述第二电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)的上游的位置处、并且所述第一电极被连接到高频发生器(208，301)；所述第二电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)被连接到射频发生器(209，303)；所述高频发生器(208，301)在所述管状管道(201，401，501)内生成丝状等离子体，所述丝状等离子体至少延伸到所述第二电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)；所述射频发生器(209，303)生成第二RF等离子体；使所述RF等离子体和所述丝状等离子体通过所述出口部分(207，410)流出到所述管状管道(201，401，501)的外部，在出口处的这样的等离子体包括在所述出口处具有不高于约100℃的温度的至少一种中性气体。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在由所述射频发生器(209，303)生成所述RF等离子体的过程中，所述高频发生器(208，301)基本上一直被操作用于生成所述丝状等离子体。3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述管状管道的所述入口部分被引入所述管状管道(201，401，501)的所述处理气体包括以下物质中的至少一种：氦气、氢气、氧气、氮气、氩气、空气、氖气、二氧化碳、烃类。4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过所述管状管道的所述入口部分被引入所述管状管道(201，401，501)的所述处理气体包括含有至少一种惰性气体和至少一种活性气体的混合物。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高频发生器(208，301)生成脉冲序列，并且所述射频发生器(209，303)在所述脉冲序列中基本上是完全激活的。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述射频发生器(209，303)在包括在1MHz到30MHz之间的频率范围内工作。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述脉冲高频发生器(208，301)在包括在1kHz到100kHz之间的频率范围内工作；其中，所述脉冲持续时间高达20ms、且具有包含在10％到98％之间的范围内的占空比。8.一种大气等离子体小型火炬设备，其特征在于，包括：管状管道(201，401，501)，在大气压下由介电材料制成、具有入口部分和出口部分(207，410)；至少一个供应源，连接至所述管状管道(201，401，501)的所述入口部分、并且被布置为将处理气体引入所述管状管道(201，401，501)；第一同轴电极对(203-204，307-308，404-405，503-504)和第二同轴电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)，与所述管
\t状管道(201，401，501)的外表面接触；所述第一电极对(203-204，307-308，404-405，503-504)相对于所述处理气体在所述管状管道中的流动方向(202，402，502)被定位在所述第二电极对(205-206，309-310，406-407，505-606)的上游的位置处，并且所述第一电极对被连接到高频发生器(208，301)；所述第二电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)被连接到射频发生器；所述高频发生器(208，301)被布置为在所述管状管道(201，401，501)内生成丝状等离子体，所述丝状等离子体至少延伸到所述第二电极对(205-206，309-310，406-407，505-506)并且通过所述出口部分从所述管状管道(201，401，501)离开；所述射频发生器(209...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山德罗·帕泰利，埃马努埃莱·韦尔加法尔扎卡帕，保罗·斯科佩切，罗伯托·皮耶罗邦，西蒙尼·韦祖，
申请(专利权)人：纳迪尔有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT