大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术旨在提供一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置。该装置包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。本实用新型专利技术的等离子体发生装置能够产生均匀弥散的等离子体，该等离子体富含亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等活性物种，可以用来进行物质表面改性和灭菌消毒等。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种低温等离子体发生装置，可应用于大面积物质表面改性和灭菌消毒。
技术介绍
近年来，等离子体技术(等离子体处理工艺)被广泛地应用于半导体制造、物质材料表面清理与改良，杀菌等工业领域。等离子体技术在上述众多工业领域的成功应用缘于等离子体的非平衡特性。在非平衡态等离子体体系中，存在着大量的低温化学活性物种，当这些活性物种与其它物质表面接触时，能够在不影响这些物质整体性质的情况下，改良物质表面特性。在传统的工业领域中，主要依靠低压辉光放电非平衡等离子体进行材料处理，而该等离子体产生过程需要昂贵的真空设备，还存在被处理样品与真空装置兼容困难的不利因素。巨大金额真空设备的投资，较高设施维护修理费用以及操作控制的复杂性等因素限制了低压辉光放电非平衡等离子体处理工艺的大范围使用。相对带有真空设备的低压辉光放电等离子体发生装置而言，大气压气体放电等离子体表面处理设备省去了真空装置，在常压大气环境中，就能对样品进行表面处理。此表面处理技术不仅降低了运行成本，而且提高了工作效率。常见的大气压气体放电形式有电晕放电、电弧和介质阻挡放电(DBD)。对于等离子体表面处理在工业上的应用来说，电晕和电弧都不适用。电晕通常是发生在极不均匀和强电场区域的小范围空间内，且放电较弱，产生等离子体及活性粒子的效率太低；而电弧的高温将损坏被处理的材料。DBD等离子体已经被用于等离子体表面处理，但传统的介质阻挡放电等离子体发生装置有两个重要的缺点:DBD是由一些放电细丝组成，难以对材料表面进行均匀处理；DBD放电细丝直径很小，但电流密度很大，其功率密度远远超出lW/cm3，可能使样品表面烧蚀或穿孔，故而限制了 DBD在表面处理上的应用。为获得功率密度适中(几百mW/cm3)、放电均匀弥散的放电，近几十年来，人们都致力于大气压类辉光放电(APGD)等离子体设备的研发，这类介质阻挡放电有预期形成均匀弥散的放电，在放电形态上与通常的辉光放电相似。然而目前报道的仅仅是为数不多的几种大气压等离子体发生装置。其中，大气压等离子体射流(APPJ)潜在的应用价值最大。它一般采用交流和脉冲放电方式，在有绝缘介质隔离的两电极直接(有时使用单电极)发生放电产生等离子体，凭借气体的流动将等离子体带出放电腔体之外，形成等离子体射流。此工作气体常局限于惰性气体(氦气和氩气等)和氮气；在必要的时候，还需添加少量的活性气体，比如氧气、碳氟化合物(四氟化碳等)、碳氟氧化物和卤素等。虽然APPJ很容易与被处理物体表面接触，有利于提高活性物种的利用率，但APPJ的尺寸受到限制，很难获得大体积的等离子体射流，来提高等离子体表面处理效率。近几年来，人们也尝试以空气作为工作气体，在大气环境中产生类辉光等离子体。但其工作状况极不稳定，弥散的均匀放电很容易就转变成丝状放电。其他大气压等离子体(比如射频放电产生的等离子体)也兼有低压等离子体的一些特性，但其产生的等离子体温度较高，在实际工业应用，比如材料处理当中，受到了很大的限制。
技术实现思路
本技术旨在提供一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，以解决现有技术中大气压等离子体发生装置工作时产生的等离子体气流温度较高、体积较小和表面处理效率低下，导致难以在实际工业应用的问题。为实现以上技术目的，本技术提供以下基本技术方案:一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，其中一个为高压电极，另一个为接地电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。基于上述基本技术方案，本技术还作了如下优化限定和改进。上述诱导气体最好为惰性气体，诱导气体较适宜的流量为0.01 10L/min。上述诱导气体优选采用氦气、氩气或者两者的混合。上述放电单元的放电间隙(绝缘介质平板与待处理样品之间)最好为0.1mm Icm ;窄缝腔体的出气端口的缝隙为0.5 5mm，并小于放电间隙。对于上述高压电极，提供交流或脉冲电压，频率为50Hz至13.56MHz,电压幅值为100 10000V，放电电流控制在0.1 500mA。上述出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间，出气端口与绝缘介质平板的内侧平面的如部固定连接。上述绝缘介质平板由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料制成。上述窄缝腔体由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料制成。上述两个平板电极优选铝、铜、钨、镍、钽、钼以及选自这些金属构成的合金。上述出气端口与有效放电区域(高压电极与接地电极正对的区域)保持Imm Icm的距离较佳；窄缝腔体的出气端口的横向长度不小于平板电极的横向长度(从而能够便于惰性气体均匀的充满整个放电空间)。本技术提供的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置实现了在常压下产生接近室温，均匀弥散的大面积等离子体。直接以大气中的空气作为工作气体，两平板电极分别接高压电源的两端。其中高压电极被一层绝缘介质覆盖，被处理样品置于低压电极之上。工作时，让微量的惰性气体(比如氦气和氩气)流入(两平板电极正对的)放电空间。微量惰性气体作为诱导放电气体弓丨入，可以降低气体的击穿电压或平均放电电压，即降低放电空间的电场强度，避免了电子雪崩过快的增长，从而阻止了弥散的类辉光放电向丝状的介质阻挡放电转变。另外，流动的惰性气体可以让放电空间和聚集在介质面上的正负离子沿着气流方向移动，避免了当外加电压反向时微放电在同一处发生而形成单丝放电和等离子体分布不均的现象。当两电极外加电压足够高时，放电间隙中的空气和流动的微量惰性气体被击穿，产生均匀弥散的等离子体。适当地调节惰性气体的流速，以及合理地控制放电间隙的距离，可以避免均匀弥散的类辉光放电转变成丝状的介质阻挡放电。因而，本技术的等离子体发生装置能够产生均匀弥散的等离子体，该等离子体富含亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等活性物种，可以用来进行物质表面改性和灭菌消毒等。本技术具体还有以下优点:1.本技术大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置以大气中的空气作为工作气体，不仅成本低廉，而且可以产生丰富的活性物种，比如亚稳态氮分子、氢氧基和氧原子等，非常适合于表面改性和灭菌消毒。2.该低温等离子体发生装置，无需昂贵的真空系统，可以在常压下产生接近室温的等离子体，最高气体温度不超过50°C，适合用来处理绝大多数的热敏材料，对其不造成任何热损伤。3.类辉光放电形成的均匀弥散等离子体，其面功率密度不大于lW/cm2，避免了样品表面的烧蚀或穿孔。4.该低温等离子体发生装置，其产生等离子体的尺寸可以根据实际需求进行设计，具有操作上的灵活性和方便性。5.采用介质阻挡放电的电极结构，在两电极之间设置介质阻挡层(绝缘介质平板)，可以防止类辉光放电转变成电弧或火花放电。6.该低温等离子体发生装置功耗低，可以小到几瓦特。与直流辉光放电相比，不仅在较大程度上降低了热损失，而且提高了能量利用效率。附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于：包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，其中一个为高压电极，另一个为接地电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。

【技术特征摘要】
1.一种大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于:包括具有介质阻挡放电电极结构的放电单元和接于放电单元前端的窄缝腔体，所述放电单元包括相对设置的两个平板电极，其中一个为高压电极，另一个为接地电极，在高压电极的内侧平面固定设置有用以限制两平板电极之间放电电流的绝缘介质平板；待处理样品为平板状，与绝缘介质平板平行相对、活动安装于接地电极的内侧平面上；所述窄缝腔体具有用以接入诱导气体的进气端口和窄缝状的出气端口，出气端口嵌入绝缘介质平板与待处理样品之间。2.根据权利要求1所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于:所述诱导气体为惰性气体，诱导气体的流量为0.01 10L/min。3.根据权利要求2所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于:诱导气体采用氦气或氩气。4.根据权利要求2或3所述的大气压诱导空气介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其特征在于:放电单元的放电间隙为0.1mm Icm ;窄缝腔体的出气端口的缝隙为0.5 5mm,并小于放电间隙。5.根据权利要求4所述的大气压...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤洁，段忆翔，赵卫，王屹山，姜炜曼，李世博，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：