專利名稱：：一種抑制絲狀放電的方法以及電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于氣體放電
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及ー種大氣壓輝光放電等離子體生成過程中抑制絲狀放電的方法，以及基于該方法的電極結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：大氣壓輝光放電技術(shù)是目前氣體放電領(lǐng)域的研究熱點。輝光放電生成的等離子體屬于低溫等離子體范疇。輝光放電生成等離子體過程中會出現(xiàn)大量的高能粒子，這些高能粒子具有很強的滅菌消毒性能，其溫度低，滅菌效率高的特點尤其適合對精密醫(yī)療器械等精密非耐熱器件進(jìn)行消毒滅菌，相對傳統(tǒng)的高溫等滅菌方法具有很多優(yōu)勢。輝光放電生成等離子體過程中還會出現(xiàn)大量的化學(xué)自由基，在高分子處理、材料表面改性等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。不僅如此，輝光放電等離子體具有能量適中、分布均勻的特點，所以加工過程中作用均勻，不易損傷物品，在鍍膜等應(yīng)用場合表現(xiàn)出了突出的優(yōu)越性。但是，目前輝光放電等離子體還大多在低氣壓或者惰性氣體環(huán)境下大量穩(wěn)定的生成。在大氣壓空氣中，還不能完全生成輝光放電等離子體，這嚴(yán)重制約了其在エ業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。大氣壓空氣中輝光放電等離子體生成技術(shù)的難點就在于生成過程中極易出現(xiàn)絲狀放電現(xiàn)象，使生成的等離子體的電流過大，而且能量集中在幾個通道里，容易損傷處理的物品。所以大氣壓輝光放電等離子體生成很重要的ー項技術(shù)就是如何抑制絲狀放電現(xiàn)象的發(fā)生。通過專利搜索網(wǎng)站CNIPR中外專利數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http://search,cnipr.com/)查詢相關(guān)專利，在該網(wǎng)站的搜索頁面中，采用分類導(dǎo)航的捜索方式在主搜索頁面左側(cè)的“IPC分類導(dǎo)航中”找到“電類”然后找“其他類目不包括的電技木”然后找“等離子體技木”再找“等離子體生成”，共找到190多篇相關(guān)專利。逐一查閱后，未發(fā)現(xiàn)與本人所申請專利有所重復(fù)。已有專利在輝光放電等離子體生成過程中只有少數(shù)專利涉及到了絲狀放電抑制的方法，多采用在放電電路中加入介質(zhì)阻擋材料、限流電阻，以及改進(jìn)電路使得電流過大時切斷電路等方式。與低氣壓放電相比，由于大氣壓放電的氣體壓力高，從非平衡等離子體很容易向熱平衡等離子體轉(zhuǎn)換，它的轉(zhuǎn)化時間非常短。為了產(chǎn)生大尺度非平衡大氣壓等離子體，通常采用兩種方法，ー種方法是采用微放電陣列來増加表面-體積比，從而使放電遠(yuǎn)離熱動カ學(xué)平衡；另ー種方法是采用脈沖激發(fā)，使放電的時間比過渡過程所需要的時間還短，從而避免不穩(wěn)定的發(fā)展。采用脈沖激發(fā)又可以由多種不同方式來實現(xiàn)，ー種是直接采用脈沖高壓來放電產(chǎn)生等離子體，這通常要求脈沖電壓的寬度在亞微秒到納秒量級。另ー種方法是，雖然施加在電極兩端的電壓是連續(xù)的，如交流，甚至是直流，但在電極表面覆蓋ー層電介質(zhì)，或者在放電回路中串聯(lián)一大電阻，從而使得放電的電流呈現(xiàn)出脈沖放電的特點。此外，還可以采用上述兩種方法的混合，其中ー個典型的例子即為脈沖高壓驅(qū)動電介質(zhì)阻擋放電。但即使采用這些方法的組合，大氣壓輝光放電仍然出現(xiàn)不穩(wěn)定性。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出本發(fā)明。
發(fā)明內(nèi)容在大氣壓空氣中實現(xiàn)輝光放電是世界性的難題，目前為止常用的是三種方法(1)介質(zhì)阻擋；(2)串聯(lián)大電阻；(3)短脈沖。介質(zhì)阻擋的方法是目前最常用的方法，研究也最成熟；由于作為負(fù)載的等離子體在放電前后阻抗不同，串聯(lián)大電阻可以使得放電電流呈現(xiàn)出脈沖放電的特性；短脈沖是最理想的方式，但由于開關(guān)技術(shù)的限制，脈沖寬度很難達(dá)到納秒級別。以上方法都是基于雙電極結(jié)構(gòu)，即在電極外部要構(gòu)成閉合電路。本發(fā)明打破這ー常規(guī)想法，發(fā)明了新的輝光放電生成方式，即“切斷”電路的回路，使用單電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明目的就在于提出一種可以抑制大氣壓輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的方法。本發(fā)明所提出的方法新穎，放電電極結(jié)構(gòu)簡潔明了，即將放電電極的其中ー個電極懸空電位并連接ー個提供自由電子的懸空電位導(dǎo)體，懸空電位導(dǎo)體設(shè)置在兩個放電電極相對的區(qū)域的外部。基于本發(fā)明提供的上述方法，本發(fā)明還提供了依據(jù)該方法的一類可以抑制大氣壓輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)形式，包括一對放電電極，放電電極的其中一個電極連接到輸出電路的其中ー個端ロ，放電電極的另ー個電極電位懸空設(shè)置。所述的懸空電位電極連接有電位懸空導(dǎo)體，電位懸空導(dǎo)體設(shè)置在兩個放電電極之間的區(qū)域外。所述的兩個放電電極為采用相同形狀的平板電極。所述的放電電極中與輸出電路連接的平板電極外包有絕緣介質(zhì)。所述的絕緣介質(zhì)為耐高溫絕緣介質(zhì)的聚四氟乙烯。所述的兩個放電電極為柱-環(huán)電極結(jié)構(gòu)，其中柱電極連接輸出電路端ロ，環(huán)電極懸空設(shè)置。所述的兩個放電電極為平板網(wǎng)-平板網(wǎng)電極結(jié)構(gòu)，其中ー個平板網(wǎng)狀電極連接輸出電路端ロ，另ー個平板網(wǎng)狀電極電位懸空設(shè)置。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明抑制絲狀放電的基本原理是在強交變電場作用，金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子會隨電場的變化而運動，在金屬導(dǎo)體內(nèi)形成振蕩，并在外部表現(xiàn)出正負(fù)極性。這樣就能夠在沒有外電路的情況下，使放電電極間隙內(nèi)保持放電通道，并抑制輝光放電過程中極板間的電流。在氣壓和極板間距一定的情況下，電流會隨著放電電壓的增加而增大；固定極板電壓，改變極板間距和氣壓等外界條件，電流也會出現(xiàn)規(guī)律性的變化。同吋，改變懸浮電極的體積將會對放電電流產(chǎn)生影響。大氣壓輝光放電等離子體生成領(lǐng)域的研究重點就在于如何實現(xiàn)較高氣壓和較大間距下的輝光放電。本發(fā)明對于該領(lǐng)域的研究有巨大思義。另外，本發(fā)明通過采用該抑制大氣壓輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的方法，可以切斷放電電路電流的通道，使電路的電流大大減小，抑制絲狀放電現(xiàn)象的出現(xiàn)。通過對懸空電位電極連接的懸浮電位導(dǎo)體的材質(zhì)、外觀的調(diào)節(jié)改變兩個電極之間的電流大小，滿足不同物品的加工要求。當(dāng)結(jié)合附圖考慮吋，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)ー步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中圖1為實現(xiàn)本發(fā)明方法的電路電源系統(tǒng)框圖；圖2為實現(xiàn)本發(fā)明方法的主電路圖；圖3為實現(xiàn)本發(fā)明方法的電源觸發(fā)電路圖；圖4為平板電極條件下，采用本發(fā)明提出的抑制輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)的電氣連接示意圖；圖5為射流等離子體過程中，采用本發(fā)明提出的抑制輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)的電氣連接示意圖；圖中，1為高壓輸出電路的高壓端，2為高壓輸出電路的接地端，3為與1相連的高壓電扱，4為不與任何電路相連的懸空電極，5為介質(zhì)阻擋用的絕緣介質(zhì)，6為與4相連的電位懸浮的導(dǎo)體，7為生成的射流等離子體，8為射流等離子體生成過程中的工作氣體。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一歩闡述。本發(fā)明提供了如圖4、圖5的兩個實施例，在對實施例進(jìn)行介紹之前，首先結(jié)合附圖介紹實施例的實驗條件。由于在通過介質(zhì)阻擋的方式進(jìn)行大氣壓下輝光放電的嘗試過程中，當(dāng)電極結(jié)構(gòu)、工作氣體種類、電源特性等參數(shù)不能滿足輝光放電的條件吋，會引起絲狀放電的形成。因此，在設(shè)計電源的過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到由于絲狀放電引起的放電電流、輸出功率發(fā)生的變化，在方案設(shè)計和器件選擇的過程中，保留一定裕量，避免在調(diào)試過程中發(fā)生電源故障。由于上述原因，電源參數(shù)的設(shè)定需充分滿足大氣壓下介質(zhì)阻擋放電兩種放電模式，即輝光放電和絲狀放電特性對電源的要求。并且考慮到電力電子器件自身的限制，對電源提出了以下的要求。(1)単相交流輸入、輸出(2)輸出最大功率1000W(3)輸出頻率2O-5OkHz,可調(diào)(4)輸出電壓0_8kV，可調(diào)(5)最大輸出電流250mA如圖1、圖2以及圖3所示，本設(shè)計采用220V交流輸入，經(jīng)整流成直流后，再通過MOSFET逆變?yōu)閹绤^(qū)的雙極性交流脈沖，最后通過高頻變壓器升壓來實現(xiàn)輸出為高頻高壓的正弦波。輸出電壓的大小和頻率通過SG3525控制MOS管的開斷來實現(xiàn)。對于電源輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)方式，可由調(diào)壓器調(diào)節(jié)，也可通過直流斬波來達(dá)到調(diào)壓目的。為電源結(jié)構(gòu)簡單和以實驗為主的實際用途考慮，本方案采用了前者。在對逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇方面半橋式逆變電路相對于全橋來說，優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡単，性能穩(wěn)定，開關(guān)管數(shù)量為全橋一半。提供中性點的串聯(lián)大電容與濾波電容進(jìn)行星-三角轉(zhuǎn)換后可以在輸出側(cè)等效出一個電容，在輸出接變壓器的情況下，能夠有效消除輸出電壓的直流分量，防止變壓器的偏磁。只是全橋由兩個半橋組成，輸出電壓提高一倍，適用于更大功容量的輸出。本實驗所需功率都在Ikw以內(nèi)，容量要求不大。綜合考慮，電源方案選用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4為平板電極條件下，在前述的實驗條件下，采用本發(fā)明提出的抑制輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)的電氣連接圖。如圖4所示，放電電極采用平板結(jié)構(gòu)，在0.2個大氣壓的低氣壓空氣環(huán)境中，板間距設(shè)置在5mm、平板電極的面積為30mm2，中間介質(zhì)厚度1mm，將高壓輸出電路的輸出端1連接放電電極3，使其成為帶有高壓信號的高壓電扱，放電電極3外包有聚四氟乙烯絕緣介質(zhì)5。高壓輸出電路的輸出端2接地，但是其并未像以往技術(shù)中與另ー個放電電極4相連，而是將電極4電位懸空。這樣就切斷了放電電路中的電流通路，大大減小了電極3和電極4之間的電流大小，避免了絲狀放電現(xiàn)象的出現(xiàn)。懸空電位電極4連接有懸空電位導(dǎo)體6，懸空電位導(dǎo)體6設(shè)置在兩個放電電極3、4之間的區(qū)域外，并相對于連接輸出電路端ロ的電極3的反方向延伸。通過對與電極4相連的電位懸浮的導(dǎo)體6的材質(zhì)和外形的調(diào)節(jié)，可以控制電極3和電極4之間的電流，滿足不同功率需求的應(yīng)用。圖5為射流等離子體過程中，在前述的實驗條件下，采用本發(fā)明提出的抑制輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)的電氣連接圖。如圖2所示，將高壓輸出電路的輸出端1連接放電柱電極3，使其成為帶有高壓信號的高壓電扱，高壓輸出電路的輸出端2接地，但是其并像以往技術(shù)中與另ー個放電環(huán)電極4相連，而是將環(huán)電極4電位懸空。這樣就切斷了放電電路中的電流通路，大大減小了柱電極3和環(huán)電極4之間的電流大小，在生成射流等離子體7中避免了絲狀放電現(xiàn)象的出現(xiàn)，處理物品時能量更加均勻適中。如上所述，對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但是只要實質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點及效果可以有很多的變形，這對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種抑制絲狀放電的方法，其特征在于，將放電電極的其中一個電極電位懸空。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制絲狀放電的方法，其特征在于，在懸空電位電極的端部外接一個懸空電位導(dǎo)體，懸空電位導(dǎo)體設(shè)置在兩個放電電極相對的區(qū)域的外部。3.一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，包括一對放電電極，其特征在于，所述的放電電極的其中一個電極連接到輸出電路的其中一個端口，放電電極的另一個電極電位懸空設(shè)置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的電位懸空電極的端部外接有懸空電位導(dǎo)體，懸空電位導(dǎo)體設(shè)置在兩個放電電極之間的區(qū)域外。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的兩個放電電極為采用相同形狀的平板電極。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的放電電極中與輸出電路連接的平板電極外包有絕緣介質(zhì)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的絕緣介質(zhì)為聚四氟乙烯。8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的兩個放電電極為柱-環(huán)電極結(jié)構(gòu)，其中柱電極連接輸出電路端口，環(huán)電極懸空設(shè)置。9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種抑制絲狀放電的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的兩個放電電極為平板網(wǎng)-平板網(wǎng)電極結(jié)構(gòu)，其中一個平板網(wǎng)狀電極連接輸出電路端口，另一個平板網(wǎng)狀電極懸空設(shè)置。全文摘要本發(fā)明公開了一種抑制大氣壓輝光放電等離子體生成過程中絲狀放電的方法及電極結(jié)構(gòu)。方法是將其中一個電極電位懸空并連接一個懸空電位導(dǎo)體。電極結(jié)構(gòu)如下設(shè)置將放電電極的一個電極連接到輸出電路的端口，放電電極的另一個電極電位懸空設(shè)置。其中，懸空電位電極連接有懸空電位導(dǎo)體，且懸空電位導(dǎo)體設(shè)置在兩個放電電極之間的區(qū)域外。本發(fā)明可以在大氣壓空氣條件下，得到更穩(wěn)定的輝光放電等離子體。本發(fā)明還能根據(jù)物品的加工要求調(diào)節(jié)電路參數(shù)，如電流大小等，用來控制生成的輝光放電等離子體的生成量，以提高等離子體處理物品的效率。文檔編號H05H1/24GK102573259SQ20121001100公開日2012年7月11日申請日期2012年1月13日優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日發(fā)明者劉文正,潘利江,賈凌云申請人:北京交通大學(xué)