一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法、仿真方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法、仿真方法及装置，能够解决目前等离子体沿面放电装置起始放电电压受到放电面积限制的问题，实现在较低电压下驱动沿面放电装置产生等离子体。本申请将等离子体沿面放电装置模型巧妙简化为平板电容器，据此分析得出起始放电电压的条件规律，明确了：减小其正六边形网格单元的尺寸、选择更大介电常数的介质板、和/或减小介质板的厚度，可以有效降低装置的起始放电电压；同时也因此可减小装置电源部分的体积，有利于实现沿面放电装置的便携化。

【技术实现步骤摘要】
一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法、仿真方法及装置
本申请属于电气工程
，涉及一种降低等离子体沿面放电装置起始放电电压的方法。
技术介绍
近年来，大气压冷等离子体产生的活性粒子在生物医学、环境保护、纳米技术等应用领域起到关键作用，进入21世纪以来，针对大气压冷等离子体的研究方兴未艾，随着理论研究的不断突破，越来越多的潜在应用领域得以展现，特别是大气压冷等离子体应用于生物医学、环境保护、纳米制造等领域的研究已成为国际热点。大气压冷等离子体的产生形式主要包括电晕放电、介质阻挡放电、等离子体射流等。电晕放电只有在极不均匀电场中才会产生，产生的等离子体往往局限在微小空间中，不便于大规模的工业应用。介质阻挡放电的典型结构是平板或线筒结构，用于材料处理往往将被处理物作为一个地电极，例如在临床应用中就将人体作为地电极，而在高压电极上覆盖一层绝缘介质以防止触电。现有成熟的实验室等离子体产生装置主要有射流放电装置和沿面放电装置，其中射流放电装置需要在氦气或氩气气氛下，6kV左右高压驱动，沿面放电装置虽然不需要在氦气或氩气气氛下放电，也需要4.5kV左右高压驱动。因此等离子体应用于细胞处理、细菌杀灭、伤口止血及肿瘤治疗等科研、医疗场景和家用器具的杀菌消毒等家用场景，驱动电压过高会引起如下两个问题：一是用户难免会接触到装置表面，高压将导致安全问题；二是需要可靠稳定的升压模块驱动装置，对电源的稳定性安全性及绝缘性都有很高的要求。目前，对于如何降低等离子体沿面放电装置起始放电电压的方法，通常的做法是根据经验缩小放电面积，即减小地电极的幅面尺寸。但装置的放电面积往往又与应用场景有关，例如处理细胞、处理水溶液等，就需要较大的放电面积，目前也就必须调高电压才能满足装置正常工作。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种有效降低等离子体沿面放电装置起始放电电压的方法，解决目前等离子体沿面放电装置起始放电电压受到放电面积限制的问题，从而实现在较低电压下驱动沿面放电装置产生等离子体。本申请的专利技术构思是：将等离子体沿面放电装置模型简化为平板电容器，利用高斯通量定理(电位移矢量D对任一闭合曲面的面积分等于其所包围的自由电荷)、分界面定理(分界面上两电位移矢量Dn的差等于分界面上面电荷密度)、D＝εE和等几个公式，分析得出正六边形网格沿面放电装置正常工作时的外加电压U+、起始放电电压Ua、正六边形边长x、介质厚度d、空气介电常数εair、空气中的电场强度Eair、沿面放电装置中介质的介电常数εglass及介质中的电场强度Eglass的以下关系：正常工作时的外加电压U+不小于起始放电电压Ua；随着外加电压U+的继续增大，电场强度Eair也相应增大。因此有：从公式中得到降低放电电压的三个方法：减小正六边形网格的尺寸(正六边形边长x)、增大所选介质的介电常数εglass和减小介质板厚度d。据此，本申请提出以下技术方案：第一方面：一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法，包括选择并组装高压极、地电极和介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特殊之处在于，包括：确定等离子体沿面放电装置的地电极幅面尺寸，试制等离子体沿面放电装置，测量该等离子体沿面放电装置的起始放电电压U0；若要求的起始放电电压U1＜U0，则对于试制的等离子体沿面放电装置，减小其正六边形网格单元的尺寸、选择更大介电常数的介质板和/或减小介质板的厚度；若要求的起始放电电压U1＞U0，则对于试制的等离子体沿面放电装置，增大其正六边形网格单元的尺寸、选择更小介电常数的介质板和/或增大介质板的厚度；按照调整后的结构参数，重新制作等离子体沿面放电装置。进一步地，对于试制的等离子体沿面放电装置，具体调节其参数的依据为：式中，U+为正常工作时的外加电压，其不小于当前装置的起始放电电压Ua；Eair为空气中的电场强度，x为正六边形边长，εair为空气介电常数、εglass为介质板的介电常数，d为介质板的厚度。进一步地，所述地电极和高压极是使用微纳制造技术分别在介质板的两侧喷涂电极材料形成的。第二方面，一种微型化低压等离子体沿面放电装置，给出以下两个实施例。第一个实施例是：包括电源、高压极、地电极和位于高压极与地电极之间的介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特殊之处在于，所述电源的输出高压为1.8～2kV，所述地电极整体为矩形，长宽分别为40mm和20mm，所述地电极是使用微纳制造技术在介质板正面喷涂不锈钢材料形成的0.3mm厚的正六边形不锈钢网格；正六边形的边长(也即其外接圆的半径)为1mm；相邻两正六边形距离(也即正六边形边框的宽度)为0.3mm；介质板为玻璃材质。上述实施例可用作深度伤口止血消毒设备(或其组成部分)。第二个实施例是：包括电源、高压极、地电极和位于高压极与地电极之间的介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特殊之处在于，所述电源的最高输出电压不超过36V，且输出电压可调；所述地电极整体为矩形，长宽分别为40mm和20mm，所述地电极是使用微纳制造技术在介质板正面喷涂不锈钢材料形成的0.01厚的正六边形不锈钢网格；正六边形的边长(也即其外接圆的半径)为0.02mm；相邻两正六边形距离(也即正六边形边框的宽度)为0.01mm；介质板为玻璃材质。上述实施例的电源采用可变输出的铅蓄电池。第三方面，一种等离子体沿面放电装置起始放电电压调节的仿真方法，其特殊之处在于，包括：根据用户输入的等离子体沿面放电装置的结构参数，建立等离子体沿面放电装置模型，计算并输出显示该等离子体沿面放电装置模型的起始放电电压U0；所述结构参数包括地电极的幅面尺寸、地电极正六边形网格单元的边长x、介质板的厚度d、介质板的材料或介电常数εglass；接收用户输入的目标起始放电电压U1，比较U1与U0的大小，给出调节结构参数的提示信息或者直接提供符合所述提示信息的备选结构参数值；若目标起始放电电压U1＜U0，则所述提示信息为：减小x、选择更大介电常数的介质板和/或减小d；若目标起始放电电压U1＞U0，则所述提示信息为：增大x、选择更小介电常数的介质板和/或增大d。这里的“提示信息”强调的是实质含义，而不局限于上述“减小x、选择更大介电常数的介质板和/或减小d”、“增大x、选择更小介电常数的介质板和/或增大d”的表达形式。这里的“备选结构参数值”可以给出一组，还可以给出多组；且还可以利用机器学习算法考量其他因素，例如用户已经明确不宜更换介质板材料，则备选结构参数值就只涉及x、d；再如，受限于微纳制造技术的精度，相比减小x可能减小d更加可控，那么一组或多组备选结构参数值表现为对d的调节幅度更大。进一步地，所述备选结构参数值的计算依据为以下公式：式中，U+为正常工作时的外加电压，其不小于当前装置的起始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法，包括选择并组装高压极、地电极和介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特征在于，包括：/n确定等离子体沿面放电装置的地电极幅面尺寸，试制等离子体沿面放电装置，测量该等离子体沿面放电装置的起始放电电压U

【技术特征摘要】
1.一种构建低压等离子体沿面放电装置的方法，包括选择并组装高压极、地电极和介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特征在于，包括：
确定等离子体沿面放电装置的地电极幅面尺寸，试制等离子体沿面放电装置，测量该等离子体沿面放电装置的起始放电电压U0；
若要求的起始放电电压U1＜U0，则对于试制的等离子体沿面放电装置，减小其正六边形网格单元的尺寸、选择更大介电常数的介质板和/或减小介质板的厚度；
若要求的起始放电电压U1＞U0，则对于试制的等离子体沿面放电装置，增大其正六边形网格单元的尺寸、选择更小介电常数的介质板和/或增大介质板的厚度；
按照调整后的结构参数，重新制作等离子体沿面放电装置。


2.根据权利要求1所述的构建低压等离子体沿面放电装置的方法，其特征在于，对于试制的等离子体沿面放电装置，具体调节其参数的依据为：






式中，U+为正常工作时的外加电压，其不小于当前装置的起始放电电压Ua；Eair为空气中的电场强度，x为正六边形边长，εair为空气介电常数、εglass为介质板的介电常数，d为介质板的厚度。


3.根据权利要求1所述的构建低压等离子体沿面放电装置的方法，其特征在于，所述地电极和高压极是使用微纳制造技术分别在介质板的两侧喷涂电极材料形成的。


4.一种微型化低压等离子体沿面放电装置，包括电源、高压极、地电极和位于高压极与地电极之间的介质板；所述地电极采用正六边形不锈钢网格形式；其特征在于，所述电源的输出高压为1.8～2kV，所述地电极整体为矩形，长宽分别为40mm和20mm，所述地电极是使用微纳制造技术在介质板正面喷涂不锈钢材料形成的0.3mm厚的正六边形不锈钢网格；正六边形的边长为1mm；相邻两正六边形距离为0.3mm；介质板为玻璃材质。


5.权利要求4所述微型化低压等离子体沿面放电装置作为深度伤口止血消毒设备的用途。


6.一种微型化低压等离子体沿面放电...

【专利技术属性】
技术研发人员：许德晖，冯蕊，李运甲，李乔松，彭三三，陈海兰，孔刚玉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61