常压下平板电极射频电容耦合氩氧/氩氮等离子体发生器

摘要

一种常压下平板电极射频电容耦合氩氧/氩氮等离子体发生器，属于等离子体技术领域。其特征在于：该发生器有两个表面彼此平行的水冷平板金属电极组成，其中一电极经过匹配器与射频电源连接，另一电极与地连接，在开放的常压下放电；靠近入气口的电极上粘结绝缘材料板条构成入气通道，该进气通道通过多个进气导管与配气系统相连，在电极极板缝隙间放电形成的均匀稳定的冷等离子体经电极出口端向外流出，形成大面积的等离子体射流。本发明的效果和益处是在以氩氧、氩氮二元气体为工作气体产生低温、大面积、均匀稳定、活性粒子浓度高的冷等离子体射流，从而实现等离子体技术在表面清洗、灭菌、消毒、电路板氧化和表面改性上的应用。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，涉及在大气压开放的条件下在射频电源的驱动下应用氩气为载气，同时混合氧气或者氮气等活性气体通过辉光放电产生大面积、均匀的冷等离子体射流的技术。

背景技术

近年来，大气压非平衡等离子体放电技术由于摆脱了真空腔的限制以及在生物医学、电子工业、国防等领域非常广阔的应用前景引起了国内外研究者的广泛兴趣。同传统的低气压放电等离子体材料加工过程相比，大气压非平衡等离子体材料加工过程，不需要在真空条件下进行，这样大大降低了设备的建造和维护成本，同时解决了实际应用中受真空腔体积的限制，并且能够在放电气体温度较低(25-200℃)的情况下产生大量的活性自由基。20世纪60年代末至70年代初，Schwab等利用空气，在大气压下采用先将两个金属电极置于接触状态，当电流达到一定值时再逐渐分开的方法得到了大气压条件下的射频辉光放电或电弧放电。1988年Kanazawa等提出了实现大气压下稳定放电的条件：以氦气为载气，在电极表面覆盖一层电介质，所用电源工作频率在千赫兹以上。1998年美国LosAlamous国家实验室的Selwyn及加州大学洛杉矶分校的Hicks等提出了大气压等离子体射流技术。其等离子体发生器主要采用平板型和同轴型电极，这两种发生器均采用裸露金属电极结构，并以氦气为载气掺杂活性气体。近年来，这种新型的等离子体源吸引了国内外诸多学者的注意。虽然以氦气为载气采用金属电极结构的射频大气压辉光放电等离子体源具有很多优点，但由于氦气本身的价格高以及在运转中需要使用大流量的氦气在把这种大气压非平衡等离子体源推广到工业生产应用上面临着运转费用过高的问题。其解决方案之一是采用价格低廉的氩气为载气，并混入氧气或氮气活性气体，来实现能够产生活性自由基的冷等离子体源。然而，在以通常结构的等离子体源中用氩气为载气并混入活性气体时往往导致放电不稳定现象的发生，而且活性气体的掺杂比例过小，大大影响了等离子体源中活性自由基的产额以及使用上的可靠性，从而降低了其应用效果。另外，虽然通过采用介质阻挡放电的形式可以获得氩氧或氩氮等离子体，但是所产生的等离子体温度很高，不适合进行温度敏感物质表面的处理，而且所产生的等离子体的均匀性在大电流下由于热颈缩现象而大为降低。我们在本发明中提出的一种等离子体源结构在氩氧或氩氮二元气体中实现了大面积均匀放电，不仅获得了等离子体温度低的冷等离子体射流，而且其物理和化学工作窗口得到了很大的改善和提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过稳定放电能产生大面积、均匀的、高浓度活性自由基的冷等离子体，在生物杀菌、净化、物体表面清洗和电路板氧化等诸多领域提供应用技术。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：包括两个表面光滑且相互平行的平板形水冷金属电极，一块绝缘板条，石英玻璃片及绝缘密封外壳。等离子体放电主体包括射频驱动电极和地电极，其中射频电极经过匹配器和射频电源相连，地电极接地，在放电区间的两侧用石英玻璃将其密封，放电电极用绝缘材料固定在电极座外壳上，在绝缘材料的一端设有多个通气孔，该通气孔与进气导管相连，进气导管与配气系统相连接，该通气孔将气体引入气体缓冲室后通过两个电极间构造的送气通道后进入放电区间。所述的平板型等离子体发生器，其射频电极和地电极为水冷金属平板电极，该电极表面光滑且相互平行，在该发生器近邻气体缓冲室的电极表面粘结条形绝缘块，该条形绝缘块的总厚度小于两金属电极之间的间距，放置的方位跟气流的方向垂直，从而形成送气通道，在该条形绝缘块构造的送气通道下游未被条形绝缘块覆盖的裸露金属电极间形成等离子体放电区域。

本发明所述的等离子体发生器，其射频电极和地电极之间的放电间距范围为1～2.5毫米，射频电源工作频率为13.56MHz的工业标准频率，气体被击穿的均方根电压在500V以内，该射频放电是在大气压开放的条件下进行。

本发明所述的等离子体发生器，其配气系统即供气源所供的气体是氩气或氦气，或者氩气和氧气，氩气和氮气的混合气体。放电时，所通氧气和氩气或氮气和氩气的体积比小于或等于1％。

本发明所述的等离子体发生器，射频电极和地电极外侧用绝缘材料密封安装在电极座外壳上，放电区间侧面用石英玻璃片密封，作为观测窗口。

本发明所述的等离子体发生器，所述通气孔以最紧密方式排布使得通过等离子体发生器放电区域内的气体流速场均匀分布。所述绝缘外壳材料为电绝缘材料；电极为不锈钢、铜或者铝制作。

本发明的效果和益处是：在氩气中掺入氧气或氮气的条件下，射频电极和地电极之间形成均匀稳定的等离子体放电区间，端口形成大面积冷等离子体射流。本发明所提出的等离子体源结构简单，易于操作和维护，制作费用低，同时由于该等离子体源使用了氩气为载气其运转费用大为降低。还有，在常压开放的条件下工作的所述等离子体发生器产生的活性自由基的密度大为增加，可以高效的完成大面积的表面改性处理工作，在生物杀菌、净化、物体表面清洗和电路板氧化等诸多相关领域得到应用。

附图说明

附图1是本发明设计的二元气体平板型等离子体发生器的侧面结构剖视示意图。

附图2是本发明设计的二元气体射频等离子体发生器的正面结构剖视示意图。

图1、图2中：1射频驱动电极；2上极板循环水进出口；3极板间隙；4地电极；5下极板循环水进出口；6电极座外壳；7气体缓冲腔；8下极板水冷室；9绝缘材料板条；10石英玻璃片；11通气孔；12上极板水冷室。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

参阅图1和图2，图1为本发明设计的二元气体平板型等离子体发生器的侧面结构剖视示意图，图2为正面剖视图。所述低温等离子体发生器，包括平板形不锈钢金属水冷射频驱动电极1，进出水口2与水冷循环机相连，地电极4，且粘结厚度为1毫米的聚四氟乙烯的板条9，板条的宽度可根据实际情况变换，板条的具体位置如附图所示，射频驱动电极1经过匹配器和射频电源连接，地电极4接地，射频电极1和地电极4之间设有一定放电间隔3，该间隔的范围一般为1-2.5毫米，放电间距可以通过改变电极在电极座外壳6上的安装位置来调整，在该放电间隙的一端连接气体缓冲腔7，在该腔的一侧设有多个并列排布的通气孔8，经过配气系统与高压气瓶相连，使用气体为氦气，氩气，氩气和氧气或氩气和氮气的混合气体。

射频电极1和地电极4固定在电极座外壳6中，放电间隙3的两侧分别用石英玻璃片10密封，玻璃片10插在电极座外壳6上，并用胶密封，使之成为一观察窗口。

射频电极1和地电极4，为长方形平板金属电极，由不锈钢，铜或者铝等金属加工而成；射频电极1和地电极4均配有水冷室12和8，分别通过循环水进出口2和5和外面的水冷循环机相连，绝缘材料板条9可以是聚四氟乙烯，陶瓷，玻璃等电绝缘材料。