CN107770939A - 极容串联式等离子发生器 - Google Patents

Abstract

一种能够生产等离子体的装置，它由两个或两个以上相隔一定距离的平行极板一端串联或两端各串联一个电容器组成。在交流电源的驱动下，改变工作条件(包括气体压强、温度、电源电压、频率、电极形状等)可实现已知的汤生放电、辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电、无声放电等放电形式。该装置既可以生产热平衡等离子体，也可以生产非热平衡等离子体。该装置用途广泛，包括不限于用于光源、材料表面处理、电子刻蚀、材料合成、臭氧生产、发电等。

Description

极容串联式等离子发生器

技术领域

本发明涉及一种能生产等离子体的装置，尤其是高效生产低温(非热平衡)等离子的装置。

背景技术

让一个或多个电子从气体原子或分子脱离的过程称为电离，能够对气体电离的器件称为电离器，在电离器中形成的新的气体媒质称为电离气体，如果电离气体由外电场产生并形成传导电流，这种现象成为气体放电。气体放电物理是等离子物理的重要组成部分，是当今前沿科学的重要研究方向，在微电子技术、光源、材料的改性和合成、环境治理、核物理等等方面起着重要的作用。在一个考核单元内，如果电离气体的正电荷和负电荷的电量相等，这种电离气体称为等离子体，能够生产等离子体的装置成为等离子发生器。在等离子体中，若正离子呈现低温(低能)，则称这种电离气体为低温等离子体。低温等离子体中由于正离子呈现低温(能)从而拥有特殊的使用价值被当今科技人员重点研究，并且已在工业生产臭氧方面被广泛应用。

目前，用一种电源(交流电或直流电)驱动既可以生产热平衡等离子体又可以生产非热平衡等离子体的装置尚不存在，已知的可以大功率生产热平衡等离子体的等离子体发生器是由直流电源驱动的有两个平行的相隔一定距离的导体极板串联的等离子体发生器，已知的可以大功率生产低温等离子体的是介质阻挡型等离子体发生器，其典型结构为相隔一定距离的两个平行导电极板间插入绝缘介质，极板两端接交流电。绝缘介质可以放在放电空间内，也可以覆盖电极。绝缘介质可以是一个，也可以根据工况设置多个。介质阻挡型等离子体发生器可以做成平板型，也可以做成同轴型。

通常所说的E型高频放电由于放电室是绝缘体，本质上仍是介质阻挡型放电。

微波放电是E型高频放电的特殊形式。

介质阻挡型等离子体发生器发明100多年来，历代科技人员对其进行了深入研究，但直至目前，依然停留在半定量计算，对其的微观电离机理、宏观电特性等都尚未形成精确的定量计算体系。仍处于半定量计算水平。由于没能形成定量计算体系，在实际应用中，一般都采用半定量计算和经验相结合的办法，导致在大功率应用中，比如大功率臭氧发生器设备，设备体积较大，能耗浪费严重，大约90％以上的输入能量并未生产臭氧，而是以热能的形式浪费掉了。

由于介质阻挡型等离子体发生器必须在两平行极板中插入一个或多个绝缘介质，考虑等离子的特性，绝缘介质一般选用陶瓷或耐高温玻璃，这导致在实际制造中，制造工艺相对复杂，可选择的设备形状一般只有平板型和同轴型，考虑极板散热问题，一般采用同轴型，造成设备体积庞大，制造成本较高。

由于介质阻挡型等离子体发生器在两极板中插有绝缘介质，在外接高压交流电后，常压气体下，放电区只能产生无声放电，不会出现汤生放电、辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电等其他放电形式，导致介质阻挡型等离子体发生器的应用较为单一。

发明内容

为了克服现有等离子发生器的缺点，本发明提供一种等离子发生器，在交流电源驱动下，不仅可以在常温常压下高效生产低温(非热平衡)等离子体，而且可以在不同的工作状况下(不同的压强、温度、极板形状等)实现人类已知的汤生放电、辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电等其他放电形式，从而生产热平衡等离子体。并且，本发明提出了定量计算体系。

本发明的技术方案是：

所述极容串联式等离子体发生器是在相隔一定距离的平行的两个或两个以上导体极板一端串联或两端各串联一个电容。极容串联式等离子体发生器两端接交流电源驱动。两个极板间空间称为电离空间，被电离气体置于电离空间内。两个极板根据工作状况安装在合适的绝缘支架上。

根据不同的工况，极板形状可以多变，包括点-点型、点-线型、点-面型、线-线型、线-面型、面-面型等。点状极板的曲率可以不同，包括圆球状、针状等。线型极板包括直线和曲线等。面型极板包括平面、曲面和球面等。线型和面型极板包括有空隙(栅状、网格状等)和无空隙型。根据不同的工况和使用目的，极板可以是静止的，也可以是运动的。

被电离气体可以是静止的，也可以是运动的。

根据工况，当极板是多个时，极板可以串联，也可以并联。

由于极板和被电离气体接触，本身具有散热功能，当散热能力不足时，极板可以外接散热器件进行散热，也可以把极板做成镂空状，所镂空间通散热介质，比如气体或液体等，用于极板散热。

本发明的工作原理如下：

1、当电离极板是平行平面极板时：

根据物理原理，两中间充满绝缘介质的平行导电极板构成一个电容器，极容串联式等离子体发生器的结构等效为两个电容串联。两个平行导体极板等效的电容称为电离电容，极板串联的电容称为偏压电容。

随着外电源的正向升压，外电源对电离电容和偏压电容充电，电离空间内形成均匀电场，电场随外电源的升压而增强，当电场增加到足够高时，气体内自由电子沿电场线反方向被加速，进而撞击中性原子或分子导致其外层电子被电离，电离出的电子和原来的电子继续被电场加速，进而撞击其他中性原子或分子，形成电子崩，生成等离子体。电子脱离中性原子或分子后，中性原子或分子变为正离子。正离子和被电离出去的电子形成本征电场，其方向和外电场相反。在外电场和本征电场的共同作用下，自由电子和被电离出的电子往极板方向运动，并大部分以一定速度到达极板。正离子将在外电场和本征电场的共同作用下沿电场线方向运动。若极板沿电子运动方向有空隙(栅状或网状等情况下)或足够薄时，电子可穿过极板继续前行，其他情况被极板阻挡，阻挡后，电子具有的能量转变为热量。

当外电源到达正向波峰时，电离停止。

随着外电源从正向波峰下行，在外电场和本征电场的共同作用下，被电离出的电子沿外电场方向运动，并和正离子逐步复合，生成中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电容。

当外电源反向后，随着反向电压的升高，外电源对电离电容和偏压电容反向充电，两极板间空间形成反向均匀电场，随着电场的增强，当电场增加到足够高时，气体又开始电离，生成等离子体，当外电源到达反向波峰时，电离停止。随着外电源电压从反向波峰下降，被电离出的电子和正离子开始复合，电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电容。

由此，在外部交流电源激励下，极容串联式等离子体发生器不断的电离气体，生成等离子体。

2、当两极板形状为其他形状时：

两极板依然等效为一个电容，在外部交流电源的激励下，依然能够不断的电离气体，生成等离子体，和平行平面极板的差别在于电离空间的电场分布不同，从而电离发生的空间不同，生成的等离子体的空间分布也就不同。

改变电离气体的压强、外电源的频率、电压、功率、极板形状等参数，放电形式可以表现为汤生放电、辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电、无声放电等各种形式，发生器可生成热平衡等离子体和非热平衡等离子体。

为达到最小的能量损耗，本发明的驱动电源应特殊设计，本发明人将另外申请专利。

本发明的有益效果是：

1、可实现各类已知的放电形式，既可以生产热平衡等离子体，又可以生产非热平衡等离子体。这是已知的各种等离子发生器所不能达到的。

2、制造工艺简单，制造成本低。目前能投入到工业生产用于生产非热平衡等离子体的装置只有介质阻挡型等离子发生器，但该装置由于必须在两极板间插入绝缘体，实际制造时一般选择高温玻璃或陶瓷，导致制造工艺复杂，制造成本较高。

3、极板形状及状态可根据工况要求多变，多组极板可串并联组成等离子发生器。本发明极板可制造为点-点型、点-线型、点-面型、线-线型、线-面型、面-面型等。其中，点状极板的曲率可以不同，包括圆球状、针状等，线型极板包括直线和曲线等，面型极板包括平面、曲面和球面等，线型和面型极板包括有空隙(栅状、网格状等)和无空隙型。根据不同的工况和使用目的，极板可以是静止的，也可以是运动的。根据不同的工况和使用目的，多组极板可以串联或并联。

4、能耗低。介质阻挡型等离子发生器由于没有完善的定量计算体系，在实际工业生产臭氧中，90％以上的能量耗费在电源内部发热和电离极板发热上，而本发明提出了定量计算体系，可以大幅度降低能耗。理论上说，若允许体积足够大，本发明在生产臭氧时不仅不耗费任何能量，而且可以输出能量用于发电。

5、体积小。在工业生产臭氧方面，介质阻挡型等离子发生器一般由玻璃管做为绝缘介质，玻璃管内圆表面镀或贴上一层导体膜接交流电高压电极，玻璃管外圆同轴套不锈钢管接交流电地极，不锈钢管负责散热。由于玻璃材料的物理特性，玻璃管管壁的厚度一般较大，特别在大功率情况下，随着玻璃管的增长，管壁厚度更要大幅增加，一般都在几个毫米以上，这就决定了设备的体积较为庞大，而本发明的两个电极只需保证是导体材料即可，由此，极板厚度可在已知的工业技术下制造的非常薄，比如用不锈钢材料，极板可做到微米级甚至更薄，体积大幅下降。

6、两极板温度可保持同步。在工业生产臭氧中，介质阻挡型等离子发生器一般只有一个极板(一般为不锈钢管做的极板)散热，而在实际生产中，玻璃管同样受到高能电子的碰撞而发热，但玻璃管壁一般仅靠空气(或纯氧)的流动散热，其温度一直保持较高的温度，不利于臭氧的生产。假设在玻璃管内部通入流动的绝缘的导热性能良好的气体或液体对玻璃管进行散热，将使设备的制造工艺更为复杂、成本进一步上升。而本发明两个极板可同时接装散热器或镂空散热，两极板温度可同步控制。

7、若介质为强腐蚀性，已知导体不能满足工作要求时，可在极板表面覆盖耐腐蚀层，可以是玻璃、陶瓷、云母等。耐腐蚀层的厚度可以制造的很薄。

8、用途广泛。本发明由于能够实现目前已知的各类放电，其应用非常广泛，包括化工、能源、生物、材料、冶金、环境、电子、通信等学科领域，具体应用包括但不限于光源、高分子链裂解、材料表面处理、电子刻蚀、材料的合成(比如臭氧的生产)、发电等。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是介质阻挡型等离子体发生器典型结构图

图2是本发明的由一个电容和两个平行平面极板组成的等离子体发生器的电路结构图

图3是本发明镂空的平面极板用于散热的剖视图

图4是本发明多组平行面-面型极板串联电路联接图

图5是本发明多组平行面-面型极板并联电路联接图

图6是本发明用于柱型光源的一个实施例的剖面图

图7是本发明的用于柱型光源的另一个实施例的剖面图

图8是本发明用于材料表面处理的一个实施例剖面图

图9是本发明用于材料表面处理的另一个实施例剖面图

图10本发明的用于电子刻蚀的一个实施例剖面图

图11是本发明的用于生产臭氧的一个实施例剖面图

图12是本发明用于生产臭氧的另一个实施例剖面图

图1中，1是高压电极，2是绝缘介质，3是放电空间，4是交流电地极，5是交流电源。

图2中，1是偏压电容，2是极板，3是放电空间，4是交流电源。一般说来，偏压电容的电容值要远大于电离电容的电容值，其耐压能力要高于电源电压。电源电压根据被电离区间气体的压强而设定，其波形根据工况设定。当气体压强较低(接近真空)时，随着电源电压的升高电离空间内将出现汤生放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电、火花放电等形式，生成热平衡等离子体。随着压强的增加，热平衡逐步向非热平衡过渡(激励电压也要不断升高)，当气体压强在常压甚至更高时，将出现无声放电，生成非热平衡等离子体。为便于形成弧光和火花放电，极板可以做成点-点状。

图3中，1是极板，2是镂空空间，用于通过散热介质(气体或液体)。

图4中，1是偏压电容，2是极板，3是电离空间，4是交流电源。在极板串联连接时，每两个相邻极板组成一个电离单元，各个电离单元所通过的电流是相同的，其两端的分压由各电离单元的等效电容决定。

图5中，1是偏压电容，2是极板，3是电离空间，4是交流电源。在极板并联连接时，每2个相邻极板组成一个电离单元，各个电离单元两端的电压是相同的，其两端的分流由各电离单元的等效电容决定。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图6实施例中，1是偏压电容，2是极板，3是电离空间，4是交流电源，5是电离空间的透明绝缘腔体，也行使支架的作用。电离空间内根据需要充满发光气体，比如惰性气体、二氧化碳等，压强根据工况设定。本实施例中，随着电源正向电压的升高，电源将对偏压电容和电离电容充电，电离空间内将形成均匀电场，随着电场的增强，在合适的气体压强下，发光气体将形成弧光放电(电离)，生成等离子体，所电离电子将在外电场和本征电场的共同作用下向极板运动并大部到达极板。电子碰撞极板后，电子自身动能转化为热能，导致极板发热。电源正向电压到达波峰时，电离停止。电源正向电压从波峰下行时，所电离电子将在外电场和本征电场的作用下向正离子运动并复合生成中性原子或分子，在电离和复合过程中，原子或分子发射光子导致本光源并发光。电源反向后，再次形成弧光放电并发光。根据工况要求，本光源可以做成不同的形状。

图7实施例中，1是偏压电容，2是最外层极板，3是电离空间，4是交流电源，5是中间层栅型或网格型极板，6是电离空间的透明绝缘腔体。本实施例采用了多层极板，中间层极板采用了栅型或网络型极板，并采用了极板并联连接方式，由此，在电离空间内，形成了多个电离单元，各电离单元两端电压相同，相邻电离单元内的电场反向。在外电源激励下，电离单元内形成电场，产生弧光放电，气体发光。和图6实施例不同的是，所电离电子在外电场和本征电场的作用下向极板方向运动，当极板是栅型或网格型时，电子将通过极板进入相邻的电离单元内，由于相邻电离单元的电场反向，电子对反向电场做功，即对外电源做功，而不是撞击极板，由此，能耗大幅降低。在制造中，根据工况要求，各电离单元的厚度可以不同。

图8实施例中，5是被处理物体上表面6是被处理物体下表面。随着外电源正向电压的升高，极板间形成电场(假设上极板为正，下极板为负)，当电场足够高时，电离空间内气体被电离，形成电子崩，高速电子将撞击被处理物体上表面，对该表面进行处理。电场反向后，在电源激励下，继续发生气体电离，形成电子崩，高速电子将撞击被处理物体下表面，对该面进行处理。若被处理物体是导体，可将被处理物体作为一个电极，如图9。

图10实施例中，1是偏压电容，2是内椭圆极板，4是电源，5是内椭圆极板的焦点。在外电源激励下，电离空间内气体不断电离，形成电子崩，电子运动轨迹均通过焦点5，从而对处于焦点处的物体进行撞击和刻蚀。为保证电子更准确的通过焦点，可在电场周围设置电子聚焦系统。

图11实施例中，1是偏压电容，2是极板，3是电离空间，4是电源，5是镂空的散热介质通道，箭头表示空气或氧气流动方向。随着交流电源的激励，电离空间内的氧气不断被电离，生成臭氧。

图12实施例中，1是偏压电容，2是外层极板，3是电离空间，4是电源，5是中间层栅状或网格状极板，箭头方向表示空气或氧气流动方向。随着交流电源的激励，电离空间内各电离单元内的氧气不断被电离，生成臭氧。和图11实施例不同的是被电离出的电子到达栅状或网格状电极后不再碰撞极板，而是通过极板进入相邻的反向电场，从而对电源做功，能量损耗大幅下降。

Claims (10)

1.一种交流电源驱动的等离子发生器，其特征是，在相隔一定距离的平行的两个或两个以上导体极板一端串联或两端各串联一个电容，被电离气体置于两极板空间内，两个极板根据工作状况安装在合适的绝缘支架上。

2.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：根据不同的工况，极板形状可以多变。两个极板形状可以为点-点型、点-线型、点-面型、线-线型、线-面型、面-面型等。

3.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：点状极板的曲率可以不同，包括圆球状、针状等。

4.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：线型极板可以多变，包括直线和曲线等。

5.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：面型极板可以多变，包括平面、曲面和球面等。

6.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：线型和面型极板包括有空隙(栅状、网格状等)和无空隙型。

7.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：根据不同的工况和使用目的，极板可以是静止的，也可以是运动的；被电离气体可以是静止的，也可以是运动的。

8.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：多组极板可以组合形成等离子发生器，根据工况，极板组可以串联，也可以并联。

9.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：当极板散热能力不足时，极板可以外接散热器件进行散热，也可以把极板做成镂空状，所镂空间通散热介质，比如气体或液体等，用于极板散热。

10.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是：改变被电离气体的压强、温度、电源的电压、频率等工作条件，两极板间可以生成热平衡等离子体，也可以生成非热平衡等离子体。