CN102573259A

CN102573259A - 一种抑制丝状放电的方法以及电极结构

Info

Publication number: CN102573259A
Application number: CN2012100110036A
Authority: CN
Inventors: 刘文正; 贾凌云; 潘利江
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种抑制大气压辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的方法及电极结构。方法是：将其中一个电极电位悬空并连接一个悬空电位导体。电极结构如下设置：将放电电极的一个电极连接到输出电路的端口，放电电极的另一个电极电位悬空设置。其中，悬空电位电极连接有悬空电位导体，且悬空电位导体设置在两个放电电极之间的区域外。本发明可以在大气压空气条件下，得到更稳定的辉光放电等离子体。本发明还能根据物品的加工要求调节电路参数，如电流大小等，用来控制生成的辉光放电等离子体的生成量，以提高等离子体处理物品的效率。

Description

一种抑制丝状放电的方法以及电极结构

技术领域

本发明属于气体放电技术领域，涉及一种大气压辉光放电等离子体生成过程中抑制丝状放电的方法，以及基于该方法的电极结构。

背景技术

大气压辉光放电技术是目前气体放电领域的研究热点。辉光放电生成的等离子体属于低温等离子体范畴。辉光放电生成等离子体过程中会出现大量的高能粒子，这些高能粒子具有很强的灭菌消毒性能，其温度低，灭菌效率高的特点尤其适合对精密医疗器械等精密非耐热器件进行消毒灭菌，相对传统的高温等灭菌方法具有很多优势。辉光放电生成等离子体过程中还会出现大量的化学自由基，在高分子处理、材料表面改性等领域具有广阔的应用前景。不仅如此，辉光放电等离子体具有能量适中、分布均匀的特点，所以加工过程中作用均匀，不易损伤物品，在镀膜等应用场合表现出了突出的优越性。

但是，目前辉光放电等离子体还大多在低气压或者惰性气体环境下大量稳定的生成。在大气压空气中，还不能完全生成辉光放电等离子体，这严重制约了其在工业上的大规模应用。大气压空气中辉光放电等离子体生成技术的难点就在于生成过程中极易出现丝状放电现象，使生成的等离子体的电流过大，而且能量集中在几个通道里，容易损伤处理的物品。所以大气压辉光放电等离子体生成很重要的一项技术就是如何抑制丝状放电现象的发生。

通过专利搜索网站CNIPR中外专利数据服务平台(http://search.cnipr.com/)查询相关专利，在该网站的搜索页面中，采用分类导航的搜索方式在主搜索页面左侧的“IPC分类导航中”找到“电类”然后找“其他类目不包括的电技术”然后找“等离子体技术”再找“等离子体生成”，共找到190多篇相关专利。逐一查阅后，未发现与本人所申请专利有所重复。已有专利在辉光放电等离子体生成过程中只有少数专利涉及到了丝状放电抑制的方法，多采用在放电电路中加入介质阻挡材料、限流电阻，以及改进电路使得电流过大时切断电路等方式。

与低气压放电相比，由于大气压放电的气体压力高，从非平衡等离子体很容易向热平衡等离子体转换，它的转化时间非常短。为了产生大尺度非平衡大气压等离子体，通常采用两种方法，一种方法是采用微放电阵列来增加表面-体积比，从而使放电远离热动力学平衡；另一种方法是采用脉冲激发，使放电的时间比过渡过程所需要的时间还短，从而避免不稳定的发展。采用脉冲激发又可以由多种不同方式来实现，一种是直接采用脉冲高压来放电产生等离子体，这通常要求脉冲电压的宽度在亚微秒到纳秒量级。另一种方法是，虽然施加在电极两端的电压是连续的，如交流，甚至是直流，但在电极表面覆盖一层电介质，或者在放电回路中串联一大电阻，从而使得放电的电流呈现出脉冲放电的特点。此外，还可以采用上述两种方法的混合，其中一个典型的例子即为脉冲高压驱动电介质阻挡放电。但即使采用这些方法的组合，大气压辉光放电仍然出现不稳定性。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

在大气压空气中实现辉光放电是世界性的难题，目前为止常用的是三种方法：(1)介质阻挡；(2)串联大电阻；(3)短脉冲。介质阻挡的方法是目前最常用的方法，研究也最成熟；由于作为负载的等离子体在放电前后阻抗不同，串联大电阻可以使得放电电流呈现出脉冲放电的特性；短脉冲是最理想的方式，但由于开关技术的限制，脉冲宽度很难达到纳秒级别。

以上方法都是基于双电极结构，即在电极外部要构成闭合电路。本发明打破这一常规想法，发明了新的辉光放电生成方式，即“切断”电路的回路，使用单电极结构。

本发明目的就在于提出一种可以抑制大气压辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的方法。本发明所提出的方法新颖，放电电极结构简洁明了，即将放电电极的其中一个电极悬空电位并连接一个提供自由电子的悬空电位导体，悬空电位导体设置在两个放电电极相对的区域的外部。

基于本发明提供的上述方法，本发明还提供了依据该方法的一类可以抑制大气压辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的电极结构形式，包括一对放电电极，放电电极的其中一个电极连接到输出电路的其中一个端口，放电电极的另一个电极电位悬空设置。

所述的悬空电位电极连接有电位悬空导体，电位悬空导体设置在两个放电电极之间的区域外。

所述的两个放电电极为采用相同形状的平板电极。

所述的放电电极中与输出电路连接的平板电极外包有绝缘介质。

所述的绝缘介质为耐高温绝缘介质的聚四氟乙烯。

所述的两个放电电极为柱-环电极结构，其中柱电极连接输出电路端口，环电极悬空设置。

所述的两个放电电极为平板网-平板网电极结构，其中一个平板网状电极连接输出电路端口，另一个平板网状电极电位悬空设置。

本发明的有益效果是：本发明抑制丝状放电的基本原理是：在强交变电场作用，金属导体内的自由电子会随电场的变化而运动，在金属导体内形成振荡，并在外部表现出正负极性。这样就能够在没有外电路的情况下，使放电电极间隙内保持放电通道，并抑制辉光放电过程中极板间的电流。在气压和极板间距一定的情况下，电流会随着放电电压的增加而增大；固定极板电压，改变极板间距和气压等外界条件，电流也会出现规律性的变化。同时，改变悬浮电极的体积将会对放电电流产生影响。大气压辉光放电等离子体生成领域的研究重点就在于如何实现较高气压和较大间距下的辉光放电。本发明对于该领域的研究有巨大意义。

另外，本发明通过采用该抑制大气压辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的方法，可以切断放电电路电流的通道，使电路的电流大大减小，抑制丝状放电现象的出现。通过对悬空电位电极连接的悬浮电位导体的材质、外观的调节改变两个电极之间的电流大小，满足不同物品的加工要求。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为实现本发明方法的电路电源系统框图；

图2为实现本发明方法的主电路图；

图3为实现本发明方法的电源触发电路图；

图4为平板电极条件下，采用本发明提出的抑制辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的电极结构的电气连接示意图；

图5为射流等离子体过程中，采用本发明提出的抑制辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的电极结构的电气连接示意图；

图中，1为高压输出电路的高压端，2为高压输出电路的接地端，3为与1相连的高压电极，4为不与任何电路相连的悬空电极，5为介质阻挡用的绝缘介质，6为与4相连的电位悬浮的导体，7为生成的射流等离子体，8为射流等离子体生成过程中的工作气体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步阐述。

本发明提供了如图4、图5的两个实施例，在对实施例进行介绍之前，首先结合附图介绍实施例的实验条件。

由于在通过介质阻挡的方式进行大气压下辉光放电的尝试过程中，当电极结构、工作气体种类、电源特性等参数不能满足辉光放电的条件时，会引起丝状放电的形成。因此，在设计电源的过程中，应当充分考虑到由于丝状放电引起的放电电流、输出功率发生的变化，在方案设计和器件选择的过程中，保留一定裕量，避免在调试过程中发生电源故障。

由于上述原因，电源参数的设定需充分满足大气压下介质阻挡放电两种放电模式，即辉光放电和丝状放电特性对电源的要求。并且考虑到电力电子器件自身的限制，对电源提出了以下的要求。

(1)单相交流输入、输出

(2)输出最大功率1000W

(3)输出频率：20-50kHz，可调

(4)输出电压0-8kV，可调

(5)最大输出电流250mA

如图1、图2以及图3所示，本设计采用220V交流输入，经整流成直流后，再通过MOSFET逆变为带死区的双极性交流脉冲，最后通过高频变压器升压来实现输出为高频高压的正弦波。输出电压的大小和频率通过SG3525控制MOS管的开断来实现。

对于电源输出电压幅值的调节方式，可由调压器调节，也可通过直流斩波来达到调压目的。为电源结构简单和以实验为主的实际用途考虑，本方案采用了前者。

在对逆变电路拓扑结构的选择方面半桥式逆变电路相对于全桥来说，优点在于结构简单，性能稳定，开关管数量为全桥一半。提供中性点的串联大电容与滤波电容进行星-三角转换后可以在输出侧等效出一个电容，在输出接变压器的情况下，能够有效消除输出电压的直流分量，防止变压器的偏磁。只是全桥由两个半桥组成，输出电压提高一倍，适用于更大功容量的输出。本实验所需功率都在1kw以内，容量要求不大。综合考虑，电源方案选用半桥拓扑结构。

图4为平板电极条件下，在前述的实验条件下，采用本发明提出的抑制辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的电极结构的电气连接图。如图4所示，放电电极采用平板结构，在0.2个大气压的低气压空气环境中，板间距设置在5mm、平板电极的面积为30mm2，中间介质厚度1mm，将高压输出电路的输出端1连接放电电极3，使其成为带有高压信号的高压电极，放电电极3外包有聚四氟乙烯绝缘介质5。高压输出电路的输出端2接地，但是其并未像以往技术中与另一个放电电极4相连，而是将电极4电位悬空。这样就切断了放电电路中的电流通路，大大减小了电极3和电极4之间的电流大小，避免了丝状放电现象的出现。悬空电位电极4连接有悬空电位导体6，悬空电位导体6设置在两个放电电极3、4之间的区域外，并相对于连接输出电路端口的电极3的反方向延伸。通过对与电极4相连的电位悬浮的导体6的材质和外形的调节，可以控制电极3和电极4之间的电流，满足不同功率需求的应用。

图5为射流等离子体过程中，在前述的实验条件下，采用本发明提出的抑制辉光放电等离子体生成过程中丝状放电的电极结构的电气连接图。如图2所示，将高压输出电路的输出端1连接放电柱电极3，使其成为带有高压信号的高压电极，高压输出电路的输出端2接地，但是其并像以往技术中与另一个放电环电极4相连，而是将环电极4电位悬空。这样就切断了放电电路中的电流通路，大大减小了柱电极3和环电极4之间的电流大小，在生成射流等离子体7中避免了丝状放电现象的出现，处理物品时能量更加均匀适中。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制丝状放电的方法，其特征在于，将放电电极的其中一个电极电位悬空。

2.根据权利要求1所述的一种抑制丝状放电的方法，其特征在于，在悬空电位电极的端部外接一个悬空电位导体，悬空电位导体设置在两个放电电极相对的区域的外部。

3.一种抑制丝状放电的电极结构，包括一对放电电极，其特征在于，所述的放电电极的其中一个电极连接到输出电路的其中一个端口，放电电极的另一个电极电位悬空设置。

4.根据权利要求3所述的一种抑制丝状放电的电极结构，其特征在于，所述的电位悬空电极的端部外接有悬空电位导体，悬空电位导体设置在两个放电电极之间的区域外。

5.根据权利要求3或4所述的一种抑制丝状放电的电极结构，其特征在于，所述的两个放电电极为采用相同形状的平板电极。

6.根据权利要求5所述的一种抑制丝状放电的电极结构，其特征在于，所述的放电电极中与输出电路连接的平板电极外包有绝缘介质。

7.根据权利要求6所述的一种抑制丝状放电的电极结构，其特征在于，所述的绝缘介质为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求3或4所述的一种抑制丝状放电的电极结构，其特征在于，所述的两个放电电极为柱-环电极结构，其中柱电极连接输出电路端口，环电极悬空设置。

9.根据权利要求3或4所述的一种抑制丝状放电的电极结构，其特征在于，所述的两个放电电极为平板网-平板网电极结构，其中一个平板网状电极连接输出电路端口，另一个平板网状电极悬空设置。