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1、(10)申请公布号 CN 103997842 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103997842 A (21)申请号 201410113763.7 (22)申请日 2014.03.25 H05H 1/26(2006.01) (71)申请人 中国科学院电工研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北二条 6 号 (72)发明人 章程 邵涛 杨文晋 周中升 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 关玲 (54) 发明名称 提高大气压等离子体射流阵列空间均匀性的 方法 (57) 摘要 一种提高大气压等离子体射流阵列空间均匀 性的方法， 其特。
2、征在于在大气压等离子体射流阵 列的工作气体纯氦气体中添加氧气， 氦气流速为 3L/min， 氧气流速为0.0030.007L/min。 本发明 可使等离子体射流阵列具有最优的空间均匀性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103997842 A CN 103997842 A 1/1 页 2 1. 一种提高大气压等离子体射流阵列空间均匀性的方法， 其特征在于在大气压等离 子体射流阵列的工作气体纯氦气体中添加氧气， 氦气流速为 3L/m。
3、in， 氧气流速为 0.003 0.007L/min。 2. 根据权利要求 1 所述的提高大气压等离子体射流阵列空间均匀性的方法， 其特征在 于所述方法的操作步骤如下 ： （1） 打开所述的大气压等离子体射流阵列的氦气集气瓶气压阀， 调节气体流量控制器 使氦气流速为 3L/min ； （2） 启动所述大气压等离子体射流阵列的高压微秒脉冲电源， 调节微秒脉冲电源电压 至 14kV， 频率至 3kHz， 通过大气压等离子体射流阵列的脉冲触发器触发 ； （3） 打开氧气集气瓶气压阀， 调节气体流量控制器使氧气体流速为 0.003 0.007L/ min。 权 利 要 求 书 CN 103997842。
4、 A 2 1/3 页 3 提高大气压等离子体射流阵列空间均匀性的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种提高大气压条件下等离子体射流阵列空间均匀性的方法。 背景技术 0002 大气压下等离子体射流放电主要通过流动的工作气体与电场的相互作用完成。 首 先， 在同轴状放电空间通入流动的工作气体。 然后在电极上施加驱动电压， 激发放电空间内 工作气体电离， 并产生大量的等离子体。 最后， 这些等离子体在气流的作用下从放电空间喷 出， 产生等离子体射流形式的放电。 等离子体射流具有结构简单、 成本低廉、 可控性强、 灵活 性好、 无空间限制、 能够在放电区域之外形成稳定的等离子体等优点， 近年来被广泛。
5、应用在 绝缘材料表面改性、 热敏感生物材料处理、 杀菌灭活和生物医学等领域。 现阶段采用的等离 子射流一般为针状或管状结构， 这种结构的单根射流处理面积较小 （通常不超过 1cm2） ， 很 难在大规模应用中得到使用。 等离子体射流阵列被视为能够克服单根等离子体射流这一缺 点的一个有效的解决方案。 研究人员尝试使用多根等离子体射流组成一维或二维阵列模式 来增大处理面积。 但是， 由于受到等离子体射流相互之间的影响， 等离子体射流阵列很难在 空间保持均匀。 等离子体射流阵列放电不均匀， 已经成为实现其工业应用的瓶颈， 亟待找到 合适的方法解决。 0003 对比于目前存在的提高射流放电空间均匀性的。
6、装置或方法， 如 ： 设计大气压等离 子体射流喷头 ： 专利 CN202750324U 的 “具介质雾化功能的大气压等离子体射流喷头” ， 将 液体雾化后与等离子体结合， 利用雾化状射流使等离子体处理面积增大且变得均匀 ； 将气 体从空心高压电极喷出 : 专利 CN103442507A 的 “一种产生大气压均匀放电的装置和方法” 利用从空心高压电极喷出的等离子体与接地的平板电极之间的引力作用， 在平板电极板面 之间产生大气压均匀放电， 从而脱离对真空的依赖） ； 采用双电极结构 ： 专利 CN1694324A 的 “一种用于实现大气压下空气中均匀辉光放电的方法” 将弧光放电产生的等离子体用气流。
7、 吹出， 通过等离子体喷口喷入平板电极之间， 当平板电极上施加交流电压时， 两板之间即可 获得大气压下分布均匀的放电形态。具有调节方便， 量化性参数， 空间均匀性好， 活性粒子 数目多的特点。 发明内容 0004 为了克服现有技术中射流阵列之间由于电场的不均匀性导致的管与管之等离子 体喷射 长度存在差异， 空间均匀性较差的缺点， 改善等离子体射流阵列的空间均匀性， 提 高其工业应用价值， 本发明提出一种提高大气压等离子体射流阵列空间均匀性的方法。本 发明在单一工作气体的基础之上添加少量氧气， 不仅能够增加等离子体射流阵列的空间均 匀性， 还能提供更多的含氧基团增加粒子的活性， 并对添加的氧气的。
8、流量范围进行了设定。 0005 本发明采用的技术方案如下 ： 0006 在大气压等离子体射流阵列中， 当气隙距离较小时， 阵列中的电场分布不均匀， 中 间射流的电场受到边缘射流电场的抑制， 中间射流的场强比边缘射流的场强弱， 造成中间 说 明 书 CN 103997842 A 3 2/3 页 4 射流的喷射长度小于边缘射流的长度。这是因为在纯气体中， 氧、 氮等杂质比例较小， 同时 若没有足够电场激励放电等离子体形成氦的亚稳态粒子， 射流中的潘宁电离较弱， 射流长 度较小。 因此中间射流的喷射长度小于边缘射流的长度， 射流阵列的空间均匀性较差。 增加 少量氧气后， 射流中有足够的氧原子来产生潘。
9、宁电离， 从而激发出更多的氦的亚稳态粒子 来进一步加强潘宁电离。 此时即使没有足够的电场激励， 也能维持射流， 因此中间射流的喷 射长度与边缘射流的长度一致， 射流阵列的空间均匀性得到提高。 但氧气并不是越多越好， 由于氧气是电负性气体， 氧气比例过高， 氧离子易于消耗放电中的电子， 从而减少了氦的亚 稳态粒子的产生， 潘宁电离被抑制， 导致射流阵列熄灭。 本发明方法通过在大气压等离子体 射流阵列的工作气体纯氦气体中添加适量的氧气， 使得阵列的空间均匀性改善， 具有工业 应用价值， 在大面积材料改性方面有降低成本， 提高效率， 节约能源的作用。 0007 应用本发明方法的大气压等离子体射流阵列。
10、包括氦气集气瓶、 气体流量控制器、 石英玻璃管、 钨针电极、 高压微秒脉冲电源和氧气集气瓶。 高压微秒脉冲电源的高压电极通 过导线与石英玻璃管内的钨针电极相连， 负电极接地。 打开氦气集气瓶的气压阀， 氦气与氧 气可由导气管经过流量控制器混合后分别接入三根石英玻璃管内。 当调节高压微秒脉冲电 源电压至放电空间中工作气体发生电离时， 即可产生等离子体射流。 0008 本发明具体操作步骤如下 ： 0009 （1） 打开氦气集气瓶气压阀， 调节气体流量控制器使氦气流速为 3L/min ； 0010 （2） 启动高压微秒脉冲电源， 调节微秒脉冲电源电压至 14kV， 频率至 3kHz， 通过脉 冲触发。
11、器触发， 脉冲触发器作用为控制高压微秒脉冲电源的频率、 运行时间、 触发或关 ； 0011 （3）打开氧气集气瓶气压阀， 调节气体流量控制器使氧气体流速为 0.003 0.007L/min， 在此范围内的混合气体可使等离子体射流阵列的空间均匀性达到最优。 0012 本发明的具体工艺参数如下 ： 所述的高压微秒脉冲电源须满足电压 14kV 以上， 频率可达到 3kHz。所述气体流量控制器精度可达到 0.001L/min。所述氦气的纯度为 99.9999%， 氧气的纯度为 99.5%。所述石英玻璃管外径为 5mm， 内径 3mm， 长度为 150mm， 在距 石英 玻璃管管底约 20mm 处留有侧。
12、支与导气管相连， 石英玻璃管中心轴线间距离为 15mm ； 所述钨针电极长 140mm， 直径 1mm， 与石英玻璃管同轴布置， 钨针电极一端距石英玻璃管管 口约 20mm， 钨针电极另一端伸出石英玻璃管管底用于施加驱动电压， 石英玻璃管管底与钨 针电极之间用绝缘材料密封。 0013 本发明在放电中添加适量的氧气， 改进了一维等离子体射流阵列空间放电不均匀 的现象。通过多次实验验证发现， 氧气含量比例过高或过低均不利于等离子体射流阵列的 的均匀性。 理论分析认为这是由于潘宁效应造成的， 在氦气中加入适当的氧气， 提供了更多 背景气体， 增加了氦气的潘宁效应。 比例过高的氧气会造成射流阵列的集体。
13、淬灭， 这主要是 因为氧气的电负性使得放电等离子体中的电子被吸收， 无法产生足够的氦气亚稳态来激发 背景气体， 抑制了潘宁效应， 造成射流放电终止。基于理论分析和实验结果， 本发明得出氦 气流量为3L/min时的最优氧气流量为0.0030.007L/min， 此时可保证等离子体射流阵列 具有最优的空间均匀性。 此外， 氧气的加入还能够提高等离子射流中的含氧等离子体、 氢氧 自由基等含氧基团， 对于杀菌、 消毒、 提高材料表面能十分有利。 0014 本发明的优点是能够产生空间放电均匀的等离子体射流阵列， 能够提高等离子体 射流中含氧基团的含量。 说 明 书 CN 103997842 A 4 3/。
14、3 页 5 附图说明 0015 图 1 是现有一维等离子体射流阵列常用装置结构 ； 0016 图 2 是混合氧气至工作气体前后的等离子体射流阵列空间放电均匀性对比图 ； 0017 其中， 1氦气集气瓶， 2气体流量控制器， 3石英玻璃管， 4钨针电极， 5高压微秒脉冲 电源， 6 氧气集气瓶， 7 地， 8 导气管， 9 导线， 10 射流等离子体。 具体实施方式 0018 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 0019 本发明具体包括如下步骤 ： 0020 （1） 打开氦气集气瓶 1 的气压阀， 调节气体流量控制器 2 使气体流速为 3L/min ； 0021 （2） 启动高压微秒。
15、脉冲电源 5， 调节微秒脉冲电源电压至 14kV， 频率至 3kHz 并触 发 ； 0022 （3） 打开氧气集气瓶 6 的气压阀， 调节气体流量控制器 2 使气体流速为 0.003 0.007L/min。 0023 以上的实施案例中， 当加入单一气体或加入氧气量过多或过少时， 管口会产生如 图 2（a） 所示的空间放电不均匀的等离子体。经测量可得， 此时两侧喷出管口射流长度在 40 50mm， 中间管喷出管口的长度在 10 15mm。当加入氧气流速为 0.003 0.007L/min 时， 可获得喷出管口长度在 405mm 的空间放电均匀的等离子体射流阵列， 如图 2 （b） 所示。 说 明 书 CN 103997842 A 5 1/2 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 103997842 A 6 2/2 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 103997842 A 7 。