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CN105430861A - 一种温度可控的低温等离子体产生方法 - Google Patents

一种温度可控的低温等离子体产生方法 Download PDF

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CN105430861A
CN105430861A CN201510938928.9A CN201510938928A CN105430861A CN 105430861 A CN105430861 A CN 105430861A CN 201510938928 A CN201510938928 A CN 201510938928A CN 105430861 A CN105430861 A CN 105430861A
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low
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power supply
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CN201510938928.9A
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English (en)
Inventor
刘新
黄帅
宋金龙
陈发泽
杨晓龙
刘吉宇
刘子艾
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Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明提供了一种温度可控的低温等离子体产生方法，属于等离子体放电反应器技术领域。在大气压室温条件下，由供气装置提供具有一定压力的气体；气体通向气体控制装置，按照一定的流量和压力输向涡流管；实时冷却后的气体进入等离子体发生器在高压电源控制下放电产生低温等离子体；温度监测装置可检测并显示涡流管冷却后的气体温度和产生的低温等离子体温度。通过电源电压、频率、气体压力和流量的配合调整，实现低温等离子体温度从200℃～-4℃范围内可控。采用无源的涡流管实时冷却工作气体，经等离子体发生器放电后可获得低温甚至低于室温的温度可控的等离子体，并且等离子体温度的控制仅需调整输入涡流管的工作气体的流量和压力。

Description

一种温度可控的低温等离子体产生方法
技术领域
本发明涉及一种低温等离子体产生方法，属于等离子体放电反应器技术领域。
背景技术
大气压低温等离子体在材料表面改性、杀菌、生物医学等领域有广泛的应用。对聚合物和生物材料等进行表面改性时，等离子体的温度对材料的性能影响显著，特别的，对细胞、细菌、皮肤、组织等有生物活性的对象进行改性时，达到蛋白质凝固温度以上的等离子体温度会将生物体直接灭活，这将使改性过程难以控制；等离子体用于刻蚀半导体材料时，温度会直接影响刻蚀出的纳米结构和表面完整性。同时，材料表面改性用的冷等离子体的温度通常难以控制，其温度一般在室温以上，使得等离子体作用于材料表面时相当于叠加一个加热过程，这是等离子体应用于精密加工和生物医疗等领域亟待解决的问题。公开号为CN100394542C的发明专利介绍了一种气体温度可控的等离子体刻蚀装置，通过电热丝在进气端对气体加热以控制气体的温度来改变气体分子的运动速度，使得反应腔内的介质均匀分布。公开号为CN103165368A的发明专利提出了一种温度可调的等离子体约束装置，在气体通过的区域布置填充有热交换液的管道实现调控等离子体约束装置的温度，可将装置的温度恒定在50℃～90℃之间的数值。公开号为CN103906336A的发明专利介绍了一种压力温度可调的气体放电等离子体发生装置，采用泵稳定压力气罐中的压力在0～1.1Mpa范围内，采用加热片可将气体加热至最高100℃。上述发明均采用对气体进行加热或热交换的方式控制等离子体和装置的温度，无法得到和控制室温以及低于室温状态的低温等离子体。
发明内容
本发明提供了一种温度可控的低温等离子体产生方法，采用将气体冷却后再进行放电的方式控制等离子体的温度。
本发明在大气压室温条件下采用涡流管冷却气体，然后通过裸电极放电的形式产生低温等离子体。
一种温度可控的低温等离子体产生方法，该方法所用的装置包括供气装置、气体控制装置、涡流管、高压电源、等离子体发生器和温度监测装置；供气装置提供具有一定压力的工作气体，工作气体通向气体控制装置，按照一定的流量和压力输向涡流管；工作气体经涡流管冷却后，进入等离子体发生器；高压电源控制等离子体发生器的放电过程，并产生低温等离子体；温度监测装置用于监测冷却后的工作气体温度和产生的低温等离子体的温度；通过调整输入涡流管的工作气体压力、流量和涡流管参数，控制输入等离子体发生器的工作气体温度，从而控制由等离子体发生器产生的低温等离子体的温度；通过电源电压、频率、气体压力和流量的配合调整，实现低温等离子体温度从200℃～-4℃范围内可控。
供气装置提供的工作气体为高纯的氮气、氩气、氦气、氯气、氧气、经过滤干燥的空气中的一种或两种以上混合。
所述的等离子体发生器放电形式是裸电极放电、介质阻挡放电或空心阴极放电。
所述的高压电源是直流高压电源、低频高压电源、射频高压电源、微波高压电源或脉冲高压电源。
当输入涡流管的工作气体压力为0.5MPa，流量为18～25mL/min时，涡流管将工作气体冷却至7℃～1℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.0kV、频率60kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为15℃～4℃。
当输入涡流管的工作气体压力为0.7MPa，气体流量为18～30mL/min时，气体冷却器将工作气体冷却至-10℃～-20℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.5kV、频率70kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为5℃～-4℃。
本发明的有益之处在于：采用无源的涡流管实时冷却工作气体，经等离子体发生器放电后可获得低温甚至低于室温的温度可控的等离子体，并且等离子体温度的控制仅需调整输入涡流管的工作气体的流量和压力。
附图说明
附图是本发明温度可控的低温等离子体产生方法原理图。
图中：1供气装置；2输气管道；3气体控制装置；4涡流管；5等离子体发生器；6高压电源；7温度监测装置；8低温等离子体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种温度可控的低温等离子体产生方法，使用此方法的设备包括供气装置1、输气管道2、气体控制装置3、涡流管4、等离子体发生器5、高压电源6和温度监测装置7。
由供气装置1提供具有一定压力的工作气体，经输气管道2输送至气体控制装置3，调节工作气体的流量和压力后输送至涡流管4。经涡流管4冷却后的工作气体输送至等离子体发生器5中，在高压电源6的激励下等离子体发生器5的前端即可产生低温等离子体8。温度监测装置7可检测并显示输入等离子体发生器的工作气体的温度和低温等离子体的温度。
实施例1
在室温22℃时，由气瓶供应纯度为99.999％的高纯氮气，气体压力为0.5MPa。经气体控制装置调节流量为18mL/min后输送至涡流管，采用热电偶数字测温仪测得冷却后的气体温度为7℃。冷却后的工作气体输送至等离子体发生器。等离子体发生器由正弦交流低频高压电源供电，频率60kHz，电压3.0kV。此时等离子体发生器产生的低温等离子体的宏观温度为约15℃。将输入涡流管的工作气体流量增大至25mL/min时，涡流管可将气体冷却至1℃，产生的低温等离子体宏观温度为4℃。
实施例2
在室温22℃时，采用空气压缩机供气，将产生的压缩空气干燥和过滤后输送至气体控制装置。气体控制装置控制输入涡流管的气体压力为0.7MPa，流量为18mL/min时，涡流管可将空气冷却至-10℃。等离子体发生器由正弦交流低频高压电源供电，频率70kHz，电压3.5kV时，可产生宏观温度为5℃的低温等离子体。输入涡流管的工作气体流量增加至30mL/min时，涡流管可将工作气体冷却至-20℃，可产生宏观温度为－4℃的低温等离子体。

Claims (10)

1.一种温度可控的低温等离子体产生方法，其特征在于，该方法所用的装置包括供气装置、气体控制装置、涡流管、高压电源、等离子体发生器和温度监测装置；供气装置提供具有一定压力的工作气体，工作气体通向气体控制装置，按照一定的流量和压力输向涡流管；工作气体经涡流管冷却后，进入等离子体发生器；高压电源控制等离子体发生器的放电过程，并产生低温等离子体；温度监测装置用于监测冷却后的工作气体温度和产生的低温等离子体的温度；通过调整输入涡流管的工作气体压力、流量和涡流管参数，控制输入等离子体发生器的工作气体温度，控制由等离子体发生器产生的低温等离子体的温度；通过电源电压、频率、气体压力和流量的配合调整，实现低温等离子体温度从200℃～-4℃范围内可控。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，供气装置提供的工作气体为氮气、氩气、氦气、氯气、氧气、经过滤干燥的空气中的一种或两种以上混合。
3.根据权利要求1或2所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，所述的等离子体发生器放电形式是裸电极放电、介质阻挡放电或空心阴极放电。
4.根据权利要求1或2所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，所述的高压电源是直流高压电源、低频高压电源、射频高压电源、微波高压电源或脉冲高压电源。
5.根据权利要求3所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，所述的高压电源是直流高压电源、低频高压电源、射频高压电源、微波高压电源或脉冲高压电源。
6.根据权利要求1、2或5所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，当输入涡流管的工作气体压力为0.5MPa，流量为18～25mL/min时，涡流管将工作气体冷却至7℃～1℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.0kV、频率60kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为15℃～4℃。
7.根据权利要求3所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，当输入涡流管的工作气体压力为0.5MPa，流量为18～25mL/min时，涡流管将工作气体冷却至7℃～1℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.0kV、频率60kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为15℃～4℃。
8.根据权利要求4所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，当输入涡流管的工作气体压力为0.5MPa，流量为18～25mL/min时，涡流管将工作气体冷却至7℃～1℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.0kV、频率60kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为15℃～4℃。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，当输入涡流管的工作气体压力为0.7MPa，气体流量为18～30mL/min时，气体冷却器将工作气体冷却至-10℃～-20℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.5kV、频率70kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为5℃～-4℃。
10.根据权利要求6所述的低温等离子体产生方法，其特征在于，当输入涡流管的工作气体压力为0.7MPa，气体流量为18～30mL/min时，气体冷却器将工作气体冷却至-10℃～-20℃，采用低频正弦交流等离子体电源，放电电压3.5kV、频率70kHz时，经等离子体发生器产生的的低温等离子体的温度为5℃～-4℃。
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