[发明专利]一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于大气压下辉光放电产生技术领域，特别涉及一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法。

背景技术

辉光放电等离子体广泛用于表面改性、臭氧合成、废气处理和电光源等领域。当前工业应用的辉光放电多数在低气压条件下产生，需使用昂贵的真空设备，应用成本较高。

相比而言，大气压下辉光放电具有放电均匀、功率密度适中等特点，这种放电形式产生的低温非平衡等离子体具有非常优越的物理化学性质，具有很好的工业应用前景。国际上对大气压下辉光放电开展了大量的实验研究，当前可产生大气压下辉光放电的技术主要有介质阻挡放电和大电阻镇流的直流辉光放电等。介质阻挡放电使用交流电源，放电电极之间必须放置介质板，其放电多为细丝状，对材料本身损害较大；大电阻镇流的直流辉光放电使用高压直流电源，放电回路中需采用大电阻镇流，以防止辉光放电转化为电弧放电，这一过程中镇流电阻将会消耗大量的能量，电路效率较低。将大气压下辉光放电这种性能优越的低温等离子体能否广泛应用于工业领域的关键在于能否得到大体积均匀的大气压下辉光放电。而这两种大气压下辉光放电的产生方式目前只是实现了几个毫米范围放电间隙中的均匀辉光放电，限制了大气压下辉光放电在工业领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种产生均匀大气压下辉光放电的装置及方法，本发明利用外施横向磁场对高压谐振电源产生的稳定丝状大气压下辉光放电，在同轴电极装置的放电间隙中，产生了直径30mm圆周范围内的大体积均匀辉光放电。

本发明通过如下技术方案实现，一种产生均匀大气压下辉光放电的装置，包括调压整流回路、高频逆变回路、谐振回路、电极装置和外施磁场，所述调压整流回路与高频逆变回路连接，高频逆变回路与谐振回路连接，所述谐振回路与电极装置连接，所述外施磁场垂直设置于电极装置的下方，所述调压整流回路、高频逆变回路、谐振回路构成高压谐振电源。

所述调压整流回路包括调压器、整流桥和稳压电容，调压器的输出端连接整流桥的输入端，整流桥的输出端与稳压电容连接；

所述高频逆变回路包括串联的第一电容和第二电容、串联的第一MOSFET和第二MOSFET；串联的第一电容和第二电容与串联的第一MOSFET和第二MOSFET并联连接；

所述谐振回路包括第一电感、第二电感、第三电容和脉冲变压器原边电感，所述第一电感与第一电容、第二电容的等效电容串联连接，所述第二电感和第三电容串联连接后与脉冲变压器原边电感并联连接。

所述调压整流回路用于产生幅值可调的稳定直流电压；高频逆变回路将直流电压逆变为频率从几千到上百千赫兹可调的方波；谐振回路将方波电压变为高频高压正弦交流电压，并且维持负载电流稳定。

所述电极装置为尖-环同轴电极，包括连接高压源的阳极尖电极和接地的阴极环电极，其结构为同轴形式；阳极尖电极与谐振回路连接。

所述阳极尖电极和阴极环电极的同轴空气间隙构成放电间隙。

所述阳极尖电极和阴极环电极的尺寸参数可根据实际需求进行调节，所述尺寸参数包括：阳极尖电极的长短、尖端锥度尺寸，阴极环电极的厚度及内外径大小，阳极尖电极尖端到阴极环电极上平面的垂直距离。

所述阴极环电极可选用内径为10～30mm的环电极。

所述外施磁场由永磁体提供，永磁体垂直设置于阴极环电极的下方。

所述永磁体和阴极环电极之间放置一块绝缘介质板，用于减小永磁体本身对放电间隙电场分布的影响，通过改变所述绝缘介质板的厚度可以在一定范围内改变磁场强度的大小。

一种产生均匀大气压下辉光放电的方法，包括如下步骤：

S100.通过计算确定谐振回路中第一电感、第二电感、第三电容的参数，从而确定高压谐振电源的输出电压频率，在较低的输入电压下，当其输出电流突增且为最大时高压谐振电源处于谐振状态；

S200.在谐振状态下，通过调节调压器增大电源的输入电压幅值直至尖-环同轴电极间发生放电；

S300.尖-环同轴电极放电产生的高能电子和正离子在电场力和磁场洛伦兹力的作用下在放电间隙中高速偏转，使丝状大气压下辉光放电在整个放电间隙扩散开，得到阴极环电极整个同轴圆周范围内的大体积均匀大气压下辉光放电。

所述方法通过调节电源的输入电压、电源的谐振频率、磁场强度或改变尖-环同轴电极的尺寸可得到不同密度分布及不同体积大小的均匀大气压下辉光放电。

本发明与现有技术相比，采用如上技术方案带来的有益技术效果是：