[发明专利]自由基发生装置及其方法

说明书

提供了包括用于高效自由基发生的固/液电极的用于生成流注放电的无阻挡装置和方法。包括周期性定位的放电点火尖端的第一电极邻近第二电极安置，在它们之间形成没有介质阻挡层的放电间隙。放电间隙包括入口和出口。通过向第一电极供应正或负脉冲电压，从第一电极发出具有邻近约束的流注并经放电间隙向第二电极传播，以使流注头与放电气体相互作用并生成自由基。任选地，第二电极是液体，其与流注头相互作用以生成额外的自由基。该装置可用于在放电间隙内造成快速化学反应或可排出生成的自由基以在放电间隙外利用。

对相关申请的交叉引用

本申请依赖于2016年9月2日提交的美国临时申请No:62/383,046并要求其优先权，其整个内容经此引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于在包括固/液电极的介质无阻挡放电空间(dielectricbarrierless discharge space)中生成流注放电(streamer discharge)的装置和方法，更特别涉及在使高湿含量下的起弧(arcing)、电极烧蚀和腐蚀最小化的同时增强自由基发生和相关物理化学反应的方法。

背景

经空气或分子气体放电和产生的自由基，如：O^＊、N^＊、OH^＊、H^＊、CH₂^＊等具有许多实际用途，包括灭菌、薄膜沉积、表面处理和从气体料流中去除污染物。

在气体中产生放电的最主要方法是通过在两个导体之间使用介质阻挡(dielectric barrier)，然后在电极之间施加高电压以在间隙中造成放电，这在本领域中常被称为“无声放电”。在电极之间足够高的电压下，放电在气体体积中开始。其展开直至到达电极，但在介质表面，其积聚空间电荷以抵消外加电场。此时放电停止。

另一方法采用不对称电极对，而不在它们之间使用介质阻挡。流注(streamer)或灯丝(filament)型放电从存在于高曲率电极(针、丝等)的表面的强电场区域开始。在形成后，流注甚至在场相对较弱的空间中也能长距离传播。但是，为了防止在放电间隙中完全击穿(起弧)，使用高电压短脉冲以在放电转变成电弧之前停止放电。实践中最常用于此用途的电极是尖-板(point-to-plane)和线-筒(wire-in-cylinder)几何学。

介质阻挡放电法可实现跨过小放电间隙在放电气体中的高自由基密度。但是，阻挡放电相当复杂，因为其是气体放电和沿电介质的表面放电的组合。使用这种方法难以实现为具有大放电间隙的大气体流量扩大工艺规模。外加电压的相对较长持续时间造成能量损失和发热。对冷却系统的需要造成进一步的能量损失。此外，周围的灰尘和类似污染物不可避免地积聚在电极部件上，以致此类装置的长时间运行成问题。随时间经过的多尘、粘着、腐蚀性的膜的积聚导致放电减少、短路，以致该装置无效。因此，需要经过过滤和加工的气体运行这些装置。为解决该积聚问题，已经提出具有可拆除的介质阻挡层的装置，但是，这不是经济的解决方案。

相反，使用不对称电极对的流注放电装置更容易规模化，特别是对大气体流量而言。通常，在空气之类的混合物中点燃(ignite)所需的电场为大约10²-10³kV.cm^-1。使用尖锐电极如丝和针可用低多个量级的适度外加电压容易地生成如此高的场。在流注头(streamer head)前面的场增强足够高以确保正净电离系数。流注可被视为在中性气体中传播的自持电离波，其在波面后方转化成低温等离子体，以产生通道状的外观。流注通道的内部由具有大致相同的电子和离子密度的导电等离子体构成。流注头的自感应电场允许流注继续传播到甚至外加电场不足以确保正净电离的区域，因此赋予这些装置规模化能力。