大气压中空基底电极等离子体射流发生装置.pdf

本发明涉及一种大气压中空基底电极等离子体射流发生装置。包括直流放电单元和用于提供直流放电单元放电电压的电源；直流放电单元包括导气管和电极组；电极组包括一个为圆柱形的高压电极和一个接地电极；导气管为中空管，上下两端分别设置有进气端口和出气端口；高压电极置于导气管轴向中心位置，接地电极处还设置有用以形成窄小气流通道的中空金属基底单元；中空金属基底单元呈圆柱体，且沿轴向设置有一个通孔。本发明提供了一种操作流程简单、运行成本低的一种大气压中空基底电极等离子体射流发生装置。

权利要求书1.  一种大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，包括直流放电单元和 用于提供直流放电单元放电电压的电源；所述直流放电单元包括导气管和电极 组；所述电极组包括一个为圆柱形的高压电极和一个接地电极；所述导气管为 中空管，上下两端分别设置有进气端口和出气端口；所述高压电极置于导气管 轴向中心位置，其特征在于：所述接地电极处还设置有用以形成窄小气流通道 的中空金属基底单元；所述中空金属基底单元呈圆柱体，且沿轴向设置有一个 通孔；中空金属基底单元的通孔与导气管同轴；所述接地电极呈L形，一直角 边为圆柱体并与高压电极同轴，其端面在导气管出气端口处与高压电极端面相 互正对，另一直角边为长方体，与中空金属基底单元端面相接。 2.  根据权利要求1所述的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，其 特征在于：所述直流放电单元与电源之间还串联有限流电阻。 3.  根据权利要求1或2所述的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置， 其特征在于：所述电源采用直流或脉冲电源，脉冲电源的频率为50Hz至13.56 MHz。 4.  根据权利要求3所述的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，其 特征在于：所述导气管的材质为云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯。 5.  根据权利要求4所述的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，其 特征在于：所述高压电极和接地电极相互正对的端面为平面；所述高压电极和 接地电极的材质为铝、铁、铜、钨、镍、钽、铂、铝合金、铁合金、铜合金、 钨合金、镍合金、钽合金。 6.  根据权利要求5所述的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，其 特征在于：所述中空金属基底单元的材质为铝或铜或铝合金或铜合金；中空金 属基底单元通孔部分的孔径为4～100mm。

说明书大气压中空基底电极等离子体射流发生装置
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，涉及一种等离子体发生装置，尤其涉及一 种大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，可以用于金属材料的表面处理。
背景技术
近年来，等离子体技术在物理学、化学、电子学、材料学，以及冶金化工 等广泛领域以应用为中心的研究十分活跃。低温等离子体因其密度高，气体温 度低，成份可控，并能产生各种活性物种，可以用来改变金属材料的表面特性。 用于金属材料表面改性，传统的低温等离子体发生装置需要高频电源(射频 13.56MHz或微波2.45GHz)来维持放电能量的供给，并在低气压环境下工作， 需要真空泵来抽真空。因而，处理设备投资大，成本高。
相对带有真空设备的低气压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。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。 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，但等 离子体中的活性物种，尤其是金属或非金属离子，仅是在气流的作用下轰击被 处理样品表面。因而，活性物种轰击的速度和能量受到一定的限制，降低了等 离子体表面扩渗的效率，不利于APPJ在金属表面改性和去污方面的应用。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供一种大气压中空基底 电极等离子体射流发生装置，以解决现有技术中大气压等离子体射流(APPJ) 工作时，金属或非金属离子轰击速度和能量较低，金属材料表面改性和去污效 率低下的问题。
本发明的技术方案是：一种大气压中空基底电极等离子体射流发生装置， 包括直流放电单元和用于提供直流放电单元放电电压的电源；上述直流放电单 元包括导气管和电极组；上述电极组包括一个为圆柱形的高压电极和一个接地 电极；所述导气管为中空管，上下两端分别设置有进气端口和出气端口；上述 高压电极置于导气管轴向中心位置，其特殊之处在于：上述接地电极处还设置 有用以形成窄小气流通道的中空金属基底单元；上述中空金属基底单元呈圆柱 体，且沿轴向设置有一个通孔；中空金属基底单元的通孔与导气管同轴；上述 接地电极呈L形，一直角边为圆柱体并与高压电极同轴，其端面在导气管出气 端口处与高压电极端面相互正对，另一直角边为长方体，与中空金属基底单元 端面相接；
上述直流放电单元与电源之间还串联有限流电阻；
上述电源采用直流或脉冲电源，脉冲电源的频率为50Hz至13.56MHz；
上述导气管的材质为云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯；
上述高压电极和接地电极相互正对的端面为平面；所述高压电极和接地电 极的材质为铝、铁、铜、钨、镍、钽、铂、铝合金、铁合金、铜合金、钨合金、 镍合金、钽合金；
上述中空金属基底单元的材质为铝或铜或铝合金或铜合金，中空金属基底 单元通孔部分的孔径为4～100mm。
本发明的优点是：
1.相对传统的低气压放电等离子体发生装置，本发明在大气环境下产生等 离子体射流，用于金属材料表面处理，免去了真空设备，简化了操作流程，降 低了运行成本。
2.相对传统的低气压放电等离子体发生装置的高频电源，本发明的供给电 源可以为直流电源，降低了对电源设备的要求。
3.相对于传统的大气压等离子体射流(APPJ)，本发明装置所产生的等离子 体射流在气体流场和直流电场的共同作用下有更高的电子密度、更高的离子轰 击速度和更高的离子能量。
附图说明
图1为本发明的中空金属基底单元结构示意图；
图2为本发明的直流放电单元结构俯视图；
图3为本发明的直流放电单元结构仰视图；
图4为本发明大气压中空基底电极等离子体射流发生装置主体俯视图；
图5为本发明大气压中空基底电极等离子体射流发生装置主体仰视图；
图6为本发明工作示意图；
其中：11-通孔、10-中空金属基底单元、20-直流放电单元、21-导气管、22- 高压电极、23-接地电极、31-进气端口、32-出气端口、40-发生装置主体结构、 41-电源、42-限流电阻、51-处理样品、52-等离子体射流。
具体实施方式
参见图1-6，本发明提出了一种大气压中空基底电极等离子体射流发生装 置，包括直流放电单元20和用于提供直流放电单元20放电电压的电源41；直 流放电单元20包括导气管和电极组；电极组包括一个为圆柱形的高压电极22 和一个接地电极23；导气管21为中空管，上下两端分别设置有进气端口31和 出气端口32；高压电极22置于导气管21轴向中心位置，接地电极23处还设置 有用以形成窄小气流通道的中空金属基底单元10；中空金属基底单元10呈圆柱 体，且沿轴向设置有一个通孔；中空金属基底单元10的通孔与导气管21同轴； 接地电极23呈L形，一直角边为圆柱体并与高压电极22同轴，其端面在导气 管出气端口32处与高压电极22端面相互正对，另一直角边为长方体，与中空 金属基底单元10端面相接；直流放电单元20与电源41之间还串联有限流电阻； 电源41采用直流或脉冲电源，脉冲电源的频率为50Hz至13.56MHz；导气管 21的材质为云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯；高压电极22和接地电极23相互 正对的端面为平面；高压电极22和接地电极23的材质为铝、铁、铜、钨、镍、 钽、铂、铝合金、铁合金、铜合金、钨合金、镍合金、钽合金；中空金属基底 单元10的材质为铝或铜或铝合金或铜合金，中空金属基底单元10通孔部分的 孔径为4～100mm。
一种大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，包括中空金属基底单元 和直流放电单元。所述中空金属基底单元包括一个通孔；所述直流放电单元包 括一个导气管和两个电极，其中一个为圆柱形高压电极，另一个为接地电极。 所述导气管具有用以接入工作气体的进气端口和让气体喷出的出气端口。所述 高压电极置于导气管中心位置处，所述接地电极呈L形，一直角边为圆柱体， 与高压电极同轴，其端面在导气管出气端口处与高压电极端面相互正对；另一 直角边为长方体，与基底端面相接。
工作气体可选为惰性气体、氧气、丙烷、氨气、氮气和氢气，或上述气体 的混合气体，工作气体较适宜的流量为0.01～10L/min。中空金属基底单元优选 铝、铜，以及选自这些金属构成的合金，中空通孔部分的孔径为4～100mm，中 空部分的高度为10～50mm。直流放电单元的导气管由云母、玻璃、陶瓷或聚四 氟乙烯等绝缘材料制成，导气管内径为2～10mm，外径为4～12mm。直流放电 单元的放电电极由铝、铁、铜、钨、镍、钽、铂，以及这些金属的合金制成， 电极直径为1～8mm。直流放电单元的放电间隙最好为5～15mm。对于高压电 极，提供直流或脉冲电压，电压幅值为100～10000V，其中脉冲频率为50Hz至 13.56MHz。
在导气管出气端口处，上述高压电极端面与导气管端面的间距不大于2mm。
本发明提供的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置实现了在大气压 下产生高电子密度、高离子轰击速度和高离子能量的低温等离子体。工作时， 高压电极通过限流电阻接电源的正极，接地电极接电源的负极，并接地。工作 气体从导气管的进气端口流入，穿过导气管与电极之间的环形区域，从导气管 的出气端口喷出，喷出的工作气体流入两电极正对的放电空间。因与接地电极 相接的金属基底为中空结构，由于惯性的作用，当工作气体流速足够大时，工 作气体在流经放电空间后继续沿原来的方向流动，流经金属基底的通孔。此特 征促使形成围绕放电空间窄小的高速气流通道。选择合适的工作气体，控制气 体的流量，当两电极外加电压足够高时，放电间隙中的气体被击穿，在大气环 境下产生低温等离子体。窄小的气流通道约束着等离子体产生的空间，防止等 离子体过度弥散，有利于高密度等离子体的产生。在气体流场和直流电场的共 同作用下，形成具有高电子密度、高离子轰击速度和高离子能量的等离子体射 流。该射流可以用来进行等离子体金属材料的表面处理。
本发明提供的大气压中空基底电极等离子体射流发生装置，由一个中空金 属基底单元，一个直流放电单元和一个电源设备组成。中空金属基底单元包括 一个通孔，由铝、铜或其合金材料制成。直流放电单元包括一个导气管、一个 高压电极和一个接地电极。导气管有两个端口，一个为进气端口，另一个为出 气端口，导气管由云母、玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯等绝缘材料制成；高压电极 呈圆柱形，置于导气管内部的中心位置处，接地电极呈L形，一直角边为圆柱 体，与高压电极同轴，其端面在导气管出气端口处与高压电极端面相互正对， 另一直角边为长方体，与基底端面相接。两电极均为耐热的金属材料，可以采 用铝、铁、铜、钨、镍、钽、铂，以及这些金属的合金，但不限于上述材料。 电源设备提供直流或脉冲电压，当电压为脉冲时，其频率可从工频变化到13.56 MHz的射频；电源设备还包括一个用来防止辉光放电向弧光放电转变的限流电 阻。
工作时，将被处理样品置于接地电极之上。工作气体从导气管的进气端口 流入，穿过导气管与高压电极之间的环形区域，从出气端口喷出，流入两电极 正对的放电空间。当两个电极之间所加电压足够高时，放电空间的工作气体被 击穿，发生稳定的等离子体气体放电。
由于惯性和金属基底中空结构的原因，工作气体继续沿原来的流动方向流 经金属基底的通孔，防止了气体回流的发生，在放电空间周围形成窄小的高速 气流通道。窄小的气流通道约束着等离子体产生的体积，防止等离子体过度弥 散，有利于高密度等离子体的产生。工作气体流动的方向与直流电场的方向保 持一致，气流和电场对离子的共同作用同时增强了离子轰击样品表面的速度和 能量。高密度、高离子轰击速度和高离子能量的等离子体射流非常适合于金属 材料表面处理，即通过等离子体表面扩渗，改变金属器件的力学性能或防腐蚀 性能，以及去除金属器件的表面油污。
下面进一步详述本发明装置的结构和工作过程。
在不同的附图中，给出了相似或者完全相同的装置结构示意图。图1为本 发明的中空金属基底单元结构10示意图。中空金属基底单元10包括一个通孔 11。图2为本发明的直流放电单元结构20示意图。图2为俯视图；图3为仰视 图。直流放电单元20包括导气管21，高压电极22，和接地电极23。导气管21 有两个端口，一个进气端口31，一个出气端口32。高压电极22置于导气管21 中心位置；在导气管21的出气端口32处，高压电极22端面与导气管21端面 的间距不大于2mm。接地电极23呈L形，一个直角边为圆柱体，其端面与高压 电极22端面相互正对，间距为5～30mm；另一个直角边为长方体。图4为本发 明大气压中空基底电极等离子体射流发生装置主体俯视图；图5为本发明大气 压中空基底电极等离子体射流发生装置主体仰视图。接地电极23与中空金属基 底10端面相接，并固定于中空金属基底10之上。高压电极22、接地电极23， 以及通孔11同轴放置。图6为本发明的工作示意图。大气压中空基底电极等离 子体射流发生装置整体结构50，除包括主体结构40以外，还包括电源设备41 和用来防止辉光放电向弧光放电转变的限流电阻42。电源设备41的正极通过限 流电阻42与高压电极22相接，负极与接地电极23相接，并接地。
工作时，将被处理样品51置于接地电极23之上。工作气体从导气管21的 进气端口31流入，流经高压电极22与导气管21之间的环形区域，从出气端口 32流出，进入高压电极22与接地电极23所对的放电空间。因惯性的作用，工 作气体继续流入中空金属基底10的通孔11。当施加在高压电极22和接地电极 23之间的电压足够高时，在两电极22与23之间发生气体放电，在窄小的高速 气流通道与电场共同作用下，产生高密度、高离子轰击速度和高离子能量的等 离子体射流52，该射流可对置于接地电极23之上的被处理样品51进行表面处 理。
等离子体射流的密度，离子的轰击速度和能量主要受到电极间距、工作气 体流量，以及外加电压的影响。电极间距宜选为5～15mm；工作气体流量一般 在0.01～10L/min；外加电压通常在100～10000V，而放电电流在几毫安到几十 毫安量级，产生维持稳定等离子体射流的能量通常在几瓦特到几十瓦特之间。 值得说明的是，上述尺寸或参数仅是本发明等离子体发生装置的一个样例，该 装置的尺寸并不限制于上述范围。
在本发明装置两电极直径可以为1mm，电极间距为6mm，导气管内径为 1.7mm的条件下，当工作气体(氩气)流量为2L/min，外加电压为2434V时， 等离子体射流从阳极喷向阴极，呈弥散状，局限于两电极正对的放电空间，且 径向半径逐渐增大。此时，放电回路限流电阻100KΩ，放电维持电压234V，放 电电流22mA。电极材料为铁，阴极位降区电势为165V，由公式ne＝j/(Eμee)(电 子密度ne，单位电荷e,电场强度E,电流密度j,以及电子迁移率μe)计算得 到等离子体正柱区的电子数密度高达1014量级，比普通的直流辉光放电电子数 密度高出1～2个数量级；离子轰击速度达到2×103cm/s，是静止气体放电时的6 倍；离子沿着电场方向移动，尤其在阴极位降区，较大电势差的存在有效的提 高了离子轰击能量。